Status und Perspektiven - SNI-Portal

Forschung mit Neutronen
in Deutschland
Status und Perspektiven
Komitee
Forschung mit
Neutronen

Impressum
Erarbeitet vom sechsten
Komitee Forschung mit Neutronen
Mitglieder:
Prof. Dr. Thomas Brückel
(FZJ, Vorsitzender)
Dr. Hans Anton Graf
(HMI, Ressort Infrastruktur und Instrumentierung)
Prof. Dr. Gernot Heger
(RWTH Aachen)
Prof. Dr. Michael Loewenhaupt
(TU Dresden)
Prof. Dr. Martin Müller
(Universität Kiel,
Ressort Nutzer- und Nachwuchsförderung)
Prof. Dr. Winfried Petry
(TU München, FRM-II)
Prof. Dr. Werner Press
(ILL)
Prof. Dr. Walter Reimers
(TU Berlin)
Prof. Dr. Michael Ruck
(TU Dresden)
Prof. Dr. Helmut Schober
(ILL, stellvertretender Vorsitzender)
Prof. Dr. Andreas Schreyer
(GKSS)
PD Dr. Regine Willumeit
(GKSS, Ressort Öffentlichkeitsarbeit)
Prof. Dr. Oliver Zimmer
(TU München)
Gäste:
Dr. Klaus Feldmann (PTJ)
Dr. Lucia Incoccia-Hermes (DESY-HS)
RD Dr. Rainer Koepke (BMBF)
Prof. Dr. Jürgen Richter (BMBF)
Redaktion:
Th. Brückel, H. Graf, K. Griewatsch, G. Heger,
M. Loewenhaupt, H. Schober
Layout: Dr. Karin Griewatsch
Bezug: Prof. Dr. Thomas Brückel
Forschungszentrum Jülich GmbH
Institut für Festkörperforschung
D-52425 Jülich
Redaktionsschluss: 19.10.2005
Unter Mitwirkung von:
H. Abele, D. Alber, D. Argyriou, J. Baumert,
G. Bohrmann, H. Boysen, M. Braden, S.T. Bramwell,
G. Büldt, M. Bull, N.A. Dencher, D. Dubbers,
D. Dwyer, G. Eckold, G. Ehlers, H. Endo,
R. Feyerherm, P. Fratzl, F. Frey, N. Froitzheim, H. Fueß,
R. Gähler, S. Gardener, B. Gebauer, Th. Hauß,
S. Hayden, H. Heumann, A. Hewat, A. Hiess,
D. Hoffmann, A. Ioffe, K. Kakurai, N. Kardjilov,
E. Kentzinger, B. Köppchen, M. Koza, W. Kuhs,
H. Lauter, E. Lelièvre-Berna, H. von Löhneysen,
A. Loidl, Th. Lonkai, H. Maletta, R. Manning,
S. Mattauch, F. Mezei, R. Michaelsen, H.-J. Mikeska,
I. Mirebeau, P. Müller-Buschbaum, E.G. Noya,
C. Pappas, F. Parak, A. Paul, L. Pintschovius,
P. Piwnicki, M. Prager, T. Rekveldt, D. Richter,
M. Rössle, A. Schaumlöffel, T. Schneider, S. Schorr,
B. Schröder-Smeibidl, W. Schweika, K. Siemensmeyer,
P. Smeibidl, M. Steiner, M. Strobl, H. Stuhrmann,
Y. Su, H. Tanaka, A. Tennant, P. Tindemans,
W. Treimer, I. Ulrich, F. Vauquois, J. Vollbrandt,
J. Walter, A. Wiedenmann, Th. Wilpert,
A. Wischnewski, J. Wosnitza, H. Zabel, A. Zheludev
Forschung mit Neutronen
in Deutschland
Status und Perspektiven

Vorbemerkung
Das Komitee für die Forschung mit Neutronen, KFN,
ist die demokratisch gewählte Vertretung einer engagierten
und dynamischen Wissenschaftlergemeinschaft.
Es hat bereits 1999 ein Strategiepapier verfasst [9] und
damit eine Vorreiterrolle gespielt, der die anderen Komitees
inzwischen gefolgt sind. In dem Papier von 1999
wurden die Perspektiven für die Entwicklung auf dem
Gebiet der Forschung mit Neutronen für die nächsten
15 Jahre dargestellt, wie sie aus damaliger Sicht der
Nutzergemeinde wünschenswert und erreichbar erschienen.
Einige der damals gemachten Empfehlungen ließen
sich im vorgegebenen politischen und gesellschaftlichen
Rahmen nur mit einer zeitlichen Verzögerung, nicht
oder noch nicht, realisieren. Das KFN bleibt jedoch
seiner Grundüberzeugung treu, alles zu unternehmen,
um die wissenschaftliche und technische Innovation
voranzutreiben, die wesentlich für die Wettbewerbsfähigkeit
und den hohen Lebensstandard in einem industrialisierten
Land wie der Bundesrepublik Deutschland
ist. Das KFN sucht daher kontinuierlich den Dialog mit
den politischen Entscheidungsträgern und bietet seine
Beratung in allen Fragen, die die Forschung mit Neutronen
betreffen, an.
Konsequenterweise wurde daher das Strategiepapier
von 1999 im September 2003 durch eine „Roadmap
für den zeitlich gestaffelten Betrieb der Neutronenquellen
in Deutschland“ den aktuellen Entwicklungen
angepasst. Empfehlungen dieser Roadmap wurden von
Entscheidungsträgern aufgegriffen. Dieser Prozess
hat zu einer Neuordnung der Neutronenlandschaft in
Deutschland geführt. Parallel hat sich das KFN bemüht,
eine Analyse der Entwicklung der Nutzerschaft
vorzunehmen und die Bedeutung der Forschung mit
Neutronen in den verschiedenen Wissenschaftsfeldern
sowie die Rolle der zum Teil neuen Messmöglichkeiten
an nationalen und internationalen Quellen zu gewichten.
Die Forschung mit Neutronen ist in höchstem Maße
großgerätespezifi sch. Die Entwicklung der Quellen erfordert
extrem lange Vorlaufzeiten und weist eine hohe
internationale Verzahnung auf. Daher ist zu diesem
Zeitpunkt der Konsolidierung der Neutronenlandschaft
in Deutschland eine Projektion in die Zukunft auf Basis
der neuerhobenen Daten und unter Berücksichtigung
der aktuellen Entwicklungen angezeigt.
Das vorliegende Strategiepapier entstand unter Mitwirkung
vieler Kollegen, die Forschung mit Neutronen
betreiben. Basierend auf einer Analyse der aktuellen
Situation werden Empfehlungen sowohl für die Entwicklung
des Wissenschaftsgebiets als auch für die
wünschenswerte Entwicklung auf dem Gebiet von
Quellen und neuen Messmöglichkeiten gemacht. Es ist
gedacht als Information für Kollegen auch in anderen
Forschungsbereichen, die wissenschaftlich gebildete
und interessierte Öffentlichkeit, und insbesondere für
die politischen Entscheidungsträger, die die Voraussetzungen
schaffen, um den hochkomplexen nichtlinearen
Prozess der Innovation zu ermöglichen.
Zur besseren Lesbarkeit wird nur die männliche Form von Personengruppen
verwendet. Hierfür bitten wir die LeserInnen um
Verständnis.
Inhalt
Perspektiven und Empfehlungen des KFN 6
KFN Recommendations 10
Wissenschaftliches Potential der Forschung mit Neutronen 12
Das freie Neutron - Ein Geschenk der Natur 14
Das Neutron und die Herausforderungen des 21. Jahrhunderts 18
Komplexität 20
Korrelationen 34
Eingeschränkte Dimensionalität 40
Teilchen- und Hadronenphysik mit langsamen Neutronen 46
Ausstrahlung der Forschung mit Neutronen in unser
tägliches Leben 48
Kommunikation und Informationstechnologie 50
Mobilität 52
Energie und Umwelt 54
Gesundheit 56
Kulturelles Erbe 58
Stellung in der internationalen Forschungslandschaft 60
Nutzergemeinde, Zugang zu den Neutronenquellen und
Forschungsförderung 64
Quellen für Neutronenstrahlung: Forschungsreaktoren 70
HMI 73
GKSS 74
FZJ 75
FRM-II 76
ILL 77
Der Weg in die Zukunft 78
Neue Instrumentierung und Methodik 79
Detektoren 79
Extreme Probenumgebung 80
Polarisationsanalyse 82
”Larmor-Markierung” 83
Phasenraum: Volumen und Transformation 84
MW-Spallationsquellen 86
Anhang 90
Referenzen 90
Glossar 90
Ergebnisse der Nutzerumfrage 92
Bildnachweis 95

Perspektiven und
Empfehlungen des KFN
6 7

Roadmap
Das Komitee für die Forschung mit Neutronen, KFN,
hat im September 2003 eine „Roadmap für den zeitlich
gestaffelten Betrieb der Neutronenquellen in Deutschland“
vorgelegt [1]. Dabei wurden - ausgehend von den
nationalen und internationalen Gegebenheiten und absehbaren
Entwicklungen - Vorstellungen entwickelt und
Prioritäten dargestellt, um der Forschung mit Neutronen
in Deutschland mittel- und langfristig eine Perspektive
aufzuzeigen. Dazu wurden konkrete Empfehlungen
über Ausbau und Weiterbetrieb der für deutsche Nutzergruppen
wichtigen Forschungsneutronenquellen
abgegeben. Die Einbindung in die internationale und
insbesondere die europäische Neutronenlandschaft ist
von wesentlicher Bedeutung. Da Entscheidungen zum
Betrieb der nationalen Neutronenquellen auch signifikante
Auswirkungen im europäischen Umfeld haben, ist
eine gesamteuropäische Strategie wünschenswert.
Ausgangslage
International wird anerkannt, dass die Forschung mit
Neutronen als lebendige und sich ständig erneuernde
Wissenschaftsdisziplin von großer Bedeutung und für
ein sehr breites Spektrum von unterschiedlichen Forschungsgebieten
unabdingbar ist [2, 3]. Zurzeit nimmt
Europa auf dem Gebiet der Forschung mit Neutronen
die Spitzenstellung ein. Das Institut Laue-Langevin,
ILL, in Grenoble ist mit seinem Hochfl ussreaktor die
derzeit weltweit beste Einrichtung. Die neue deutsche
Forschungsneutronenquelle FRM-II weist vergleichbare
Intensitäten der Neutronenstrahlen auf. Wesentliche
politische Entscheidungen zur Entwicklung der
Forschungsinfrastruktur wurden getroffen, die die
Wettbewerbsfähigkeit mittelfristig sichern. Für deutsche
Nutzer sind dabei von besonderer Bedeutung: das
Millenniumprogramm des ILL, die volle Nutzung der
Möglichkeiten des FRM-II, die Repräsentanz der Zentren
der Helmholtz-Gemeinschaft, HGF, am FRM-II,
der Ausbau des Berliner Neutronenstreuzentrums,
BENSC, (zweite Neutronenleiterhalle) und die Beteiligung
an der Instrumentierung der neuen amerikanischen
Spallationsquelle, SNS.
In den OECD-Studien von 1998 [4] und 2001 [3] wurde
empfohlen, in den drei Weltregionen Asiatisch-Pazifischer
Raum, Europa und Nordamerika je eine Spallationsquelle
der nächsten Generation zu errichten. Diese
Empfehlung wird mit der SNS in Oak Ridge, USA, und
der JSNS in Tokai, Japan, in zwei der Regionen in Form
von Megawattquellen umgesetzt. Für die SNS existieren
Ausbaupläne für eine zweite Targetstation und zur
Leistungserhöhung.
Empfehlungen zur
Weiterentwicklung der Basis für
die Forschung mit Neutronen in
Deutschland
Institut Laue-Langevin ILL
Durch den gezielten Ausbau von Instrumentierung und
Infrastruktur ist es dem ILL gelungen, seine internationale
Spitzenstellung weiter zu festigen. Das Millenniumprogramm
hat das Potential, die Effi zienz der Instrumente
am ILL im Mittel um einen Faktor 15 zu
steigern. Ein Faktor 5 wurde bereits erreicht. Es ist von
höchster Bedeutung, dass dieser Prozess konsequent
weiterverfolgt wird, um auch in den kommenden Jahren
die europäische Führung in der Welt zu halten. Der derzeit
gültige Staatsvertrag des ILL muss 2013 um weitere
10 Jahre verlängert werden. Das KFN ist der Meinung,
dass das ILL als einzige wahrhaft europäische Quelle
in Zukunft eine wichtige Rolle bei der Projektierung
der europäischen Multi-MW-Spallationsquelle spielen
sollte.
Forschungsneutronenquelle FRM-II
Die neue Forschungsneutronenquelle FRM-II in
Garching hat erfolgreich ihre nukleare Inbetriebnahme
abgeschlossen. Der Aufbau der modern konzipierten
und zum Teil einzigartigen Instrumente unter Beteiligung
von zahlreichen Universitäten aus ganz Deutschland,
Max-Planck-Instituten und den Helmholtz-Zentren
FZJ, GKSS und HMI ist weit fortgeschritten. Es werden
Neutronenfl üsse und Strahlqualitäten vergleichbar mit
denen des ILL gemessen. Einige der Instrumente des
FRM-II haben das Potential, weltweit führend zu sein.
Die langfristige Sicherung eines effektiven und hochqualifizierten
Experimentier- und Nutzerbetriebes sowie
der kontinuierliche Ausbau von Infrastruktur und Instrumentierung
sind unabdingbar. Das KFN geht davon
aus, dass der FRM-II in naher Zukunft als die nationale
Neutronenquelle eine führende Rolle für die deutschen
Nutzergruppen einnehmen wird und wesentlich zur
Stärkung Europas auf dem Gebiet der Forschung mit
Neutronen beiträgt.
Repräsentanz der HGF-Zentren
am FRM-II
Im Juni 2004 wurde ein Vertrag zwischen dem FZJ und
dem FRM-II/TUM geschlossen, der eine enge Kooperation
und massive Beteiligung an Instrumentierung,
Betrieb und Nutzung der Experimentiereinrichtungen
am FRM-II vorsieht. Das FZJ plant, insgesamt sieben
eigene Geräte am FRM-II zu betreiben und die Infrastruktur
vor Ort zu verstärken. GKSS hat entschieden,
sich über das bereits laufende Engagement hinaus kurzfristig
zusätzlich an zwei Instrumenten am FRM-II zu
beteiligen und plant mittelfristig eine weitere Verstärkung
der Aktivitäten. Auch das HMI betreibt ein
Instrument am FRM-II. Damit wird das Angebot der
verschiedenen Experimentiereinrichtungen an der weltweit
modernsten kontinuierlichen Neutronenquelle in
herausragender Weise ergänzt und erweitert. Das KFN
begrüßt diesen Prozess und empfi ehlt, ihn konsequent
fortzusetzen, um die Kompetenz und Erfahrung der
Helmholtz-Zentren im Bereich der Methodenentwicklung
und des Nutzerbetriebs für den FRM-II nutzbar zu
machen.
BENSC im Netzwerk der
Mittelflussquellen
Das Netzwerk der europäischen Mittelfluss-Neutronenquellen
erfüllt wichtige Aufgaben für
• Bereitstellung von Messzeiten für Experimente, die
nicht unbedingt auf den höchsten Neutronenfl uss
angewiesen sind;
• Bereitstellung spezialisierter Messmöglichkeiten, die
an den Spitzenquellen nicht angeboten werden;
• spezialisierte Betreuung der Nutzer und Ausbildung
des wissenschaftlichen Nachwuchses;
• Möglichkeiten zur Methodenentwicklung inklusive
Erhalt und Ausbau des Know-hows für MW-
Spallationsquellen;
• Aufbau internationaler Kollaborationen; und
• Erschließung neuer Forschungsgebiete inklusive
Knüpfung von Industriekontakten.
Im Moment tragen alle Quellen der Helmholtz-Zentren
zu dieser europäischen Infrastruktur wesentlich bei.
Entscheidungen zur zeitlich gestaffelten Stilllegung der
Reaktoren in Jülich und Geesthacht sind gefallen oder
zu erwarten. Nach ihrer Umsetzung bleibt nur BENSC
am HMI als zweites nationales Zentrum im Netzwerk
der Mittelfl ussquellen bestehen. Die Spezialisierung
auf extreme Probenumgebungen ist als Alleinstellungsmerkmal
weiterzuentwickeln. Mindestens bis zum
vollen Nutzerbetrieb an der zukünftigen europäischen
Multi-MW-Spallationsquelle bleibt BENSC unverzichtbar.
Die Vision
Multi-MW-Spallationsquelle
Langfristig ist der Bau einer Multi-MW-
Spallationsquelle als zentrale europäische Quelle der
nächsten Generation unerlässlich, wenn Europa in der
Forschung mit Neutronen die Spitzenposition in der
Welt ausbauen will. Gemäß der Analyse der Neutronenarbeitsgruppe
des „European Strategy Forum for
Research Infrastructures“ (ESFRI) vom Herbst 2002
[2] sollte in einer ersten Ausbaustufe eine 5 MW-Langpulsquelle
(ESFRI-Szenario 2) - komplementär zu den
amerikanischen und japanischen Projekten - realisiert
werden. Hierzu muss auf europäischer Ebene möglichst
bald eine positive Entscheidung fallen, da Planung und
Bau ca. 10 Jahre beanspruchen. Langfristig ist eine solche
Multi-MW-Spallationsquelle in Nachfolge des ILL
als die europäische Spitzenquelle unabdingbar.
Deutscher Beitrag zur
Multi-MW-Spallationsquelle
Deutschland sollte einen signifi kanten Beitrag zu einer
Multi-MW-Spallationsquelle leisten, wo immer sie in
Europa gebaut wird. Ein Standort in Deutschland böte
große Vorteile, z. B. in der Ausbildung und Beschäftigung
von Wissenschaftlern, Ingenieuren und Technikern,
in einem Zuwachs an Attraktivität für die besten
internationalen Forscher, sowie durch den Technologietransfer
in die Standortregion. Nach Meinung des KFN
sollten das FZJ und das HMI aufgrund ihrer methodischen
Kompetenz eine zentrale Rolle bei Auslegung,
Konstruktion und Bau einer zukünftigen europäischen
Multi-MW-Spallationsquelle und ihrer Instrumentierung
spielen. Zwischenzeitlich wird die Beteiligung am
Aufbau der Instrumentierung an der amerikanischen
Spallationsquelle SNS empfohlen. Dadurch wird diese
moderne Spitzenquelle den deutschen Nutzern zugänglich
gemacht und Erfahrung in der Entwicklung
und dem Betrieb von Instrumenten an einer MW-
Spallationsquelle gesammelt.
8 Empfehlungen
9

Roadmap
The German Committee for Research with Neutrons,
KFN, presented a “Roadmap for the phased operation
of neutron sources in Germany“ in September 2003
[1]. Based on the national and international conditions
and foreseeable developments, concepts were developed
and priorities described to point out a medium- and
long-term perspective for research with neutrons in
Germany. Concrete recommendations for the extension
and continued operation of the research neutron sources
important for German user groups were made. The
incorporation into the international and, in particular,
the European neutron scene is of essential signifi cance.
Since decisions on the operation of the national neutron
sources also have signifi cant impacts in the European
context, a pan-European strategy is desirable.
Starting situation
It is internationally recognized that research with neutron
as a scientifi c discipline full of life and subject to
constant renewal is of great signifi cance and indispensable
for a very wide range of different research areas
[2, 3]. At present, Europe holds the leading position in
the field of research with neutrons. The Institute Laue-
Langevin, ILL, in Grenoble with its high-flux reactor is
currently the best facility worldwide. The new German
FRM-II research neutron source exhibits comparable
neutron beam intensities. Major political decisions on
the development of the research infrastructure were
made, which will secure competitiveness in the medium
term. Of particular importance for German users are
the Millennium Programme of ILL, the full exploitation
of the possibilities of the FRM-II, the representation
of the centres of the Helmholtz Association, HGF, at
FRM-II, the extension of the Berlin Neutron Scattering
Centre, BENSC, (second neutron guide hall) and participation
in the instrumentation of the new American
spallation source, SNS.
In the OECD studies of 1998 [4] and 2001 [3] it was recommended
that one next-generation spallation source
each should be constructed in the three world regions
of the Asiatic-Pacific Area, Europe and North America.
With the SNS in Oak Ridge, USA, and the JSNS
in Tokai, Japan, this recommendation is being implemented
in two of these regions in the form of megawatt
sources. For the SNS there are extension plans for a
second target station and for power increase.
Recommendations for further
developing the basis for
research with neutrons in
Germany
Institute Laue-Langevin ILL
ILL has succeeded in further strengthening its international
top position by selectively extending the
instrumentation and infrastructure. The Millennium
Programme has the potential for further increasing the
efficiency of the instruments at ILL by a factor of 15 on
average. A factor of 5 has already been achieved. It is
of extreme significance that this process is consistently
further pursued in order to also maintain the European
leadership in the world in the years to come. The currently
valid Intergovernmental Convention of ILL must
be extended by another 10 years in 2013. KFN takes
the view that as the only truly European source the ILL
should in future play a major role in planning the European
multi-MW spallation source.
FRM-II research neutron source
The new FRM-II research neutron source in Garching
has successfully completed its nuclear commissioning.
The setup of the in part unique instruments of modern
and innovative design with the participation of numerous
universities from all over Germany, Max Planck
Institutes and the Helmholtz centres FZJ, GKSS and
HMI is far advanced. Neutron fl uxes and beam qualities
comparable to those of the ILL are measured. Some
of the instruments of the FRM-II have the potential
for worldwide leadership. The long-term assurance of
effective high-quality experimental and user operation
as well as the continuous extension of infrastructure
and instrumentation are indispensable. KFN assumes
that the FRM-II will play a leading role as the national
neutron source for the German user groups in the near
future and will essentially contribute towards strengthning
Europe in the fi eld of research with neutrons.
Representation of the HGF centres at
FRM-II
In June 2004, a contract was concluded between FZJ
and FRM-II/TUM, which provides for close cooperation
and a massive participation in the instrumentation,
operation and use of the experimental facilities at
FRM-II. FZJ plans to build up and operate a total of
seven instruments at the FRM-II and to strengthen the
infrastructure on site. Going beyond the commitment
already undertaken, GKSS has decided in favour of a
participation in two instruments at FRM-II in the short
term and plans to further intensify its activities in the
medium term. HMI also operates an instrument at the
FRM-II. The services offered by the different experimental
facilities at the most up-to-date continuous neutron
source worldwide are thus being supplemented and
extended in an outstanding manner. KFN appreciates
this process and recommends that it should be consistently
continued, in order to utilize the expertise and
experience of the Helmholtz centres in the fi eld of methods
development and user operation for the FRM-II.
BENSC in the network of medium-flux
sources
The network of European medium-flux neutron sources
fulfi ls important tasks for
• the provision of measuring time for experiments that
do not really need the highest neutron flux;
• the provision of specialized measuring possibilities
that are not available at the top sources;
• specialized support for users and training of young
scientists;
• possibilities for the development of methods including
maintenance and extension of the know-how for MW
spallation sources;
• building up international collaborations; and
• opening up new fi elds of research including contacts
with industry.
At the moment, all sources of the Helmholtz centres
essentially contribute to this European infrastructure.
Decisions on the phased decommissioning of the
reactors in Jülich and Geesthacht have been made or
are expected. After their implementation, only BENSC
at HMI will be left as the second national centre in the
network of medium-flux reactors. Its specialization in
extreme sample environments must be further developed
as a unique feature. At least until full user operation
at a future European multi-MW spallation source
BENSC will remain indispensable.
The vision
Multi-MW spallation source
In the long term, the construction of a multi-MW
spallation source as the central European next-generation
source is indispensable, if Europe wants to consolidate
its leading position in research with neutrons in the
world. According to the analysis of the working group
on neutrons „European Strategy Forum for Research
Infrastructures“ (ESFRI) of autumn 2002 [2], a 5-MW
long-pulse source (ESFRI Scenario 2) is to be realized
in a fi rst extension stage, complementing the American
and Japanese projects. A positive decision on this must
be made at the European level as soon as possible, since
planning and construction will take approximately 10
years. In the long term, such a multi-MW spallation
source is indispensable as the European top source in
succession of the ILL.
German contribution to the multi-MW
spallation source
Germany should make a significant contribution to
a multi-MW spallation source, wherever it is built in
Europe. A site in Germany would provide great advantages,
e. g. with respect to the training and employment
of scientists, engineers and technicians, an increase in
attractiveness for the best international researchers, and
technology transfer to the site region. In the opinion
of KFN, due to their methodological expertise, FZJ
and HMI should play a central role in the design and
construction of a future European multi-MW spallation
source and its instrumentation. In the meantime, participation
in the construction of the instrumentation at the
American SNS spallation source is recommended, so
that this modern top source is made accessible to German
users and experience is gathered in the development
and operation of instruments at a MW spallation
source.
10 Recommendations
11

Wissenschaftliches Potential
der Forschung mit Neutronen
Galaxie
1 Motor Textur
10 -2 Zelle
Zelle
10 -4 Domänen
10 -6
Teilchen-Hadronenphysik
Radiographie / Tomographie
Texturdiffraktometrie
Reflektometrie und
Kleinwinkelstreuung
zeitaufgelöste
- Radiographie
- Beugung
- Reflektometrie
Spinechospektroskopie
Rückstreuspektroskopie
Teilchen-Hadronenphysik
Geologie
M
H
laufender
Motor
Rotationstunneln
Domänenwanddynamik
Dynamik von
Makromolekülen
Roter
Riese
Gesteinsfaltung
1
10 -6
10 -9
10 -11
10 -8 Polymer
magnetische
10 -14
Struktur
Diffraktometrie
Kern- und Teilchenphysik
Flugzeit- und Dreiachsspektroskopie
hochenergetische
Streuung
Ladungs-
10 -10 -
dichte
Atomkern
Stoneranregungen
Spinwellen
Gitterschwingungen
10 -12
10 -13
10 -14
10 -15
Nukleon
10 -14 Länge [m] Zeit [s]
Kern-Compton-
Streuung
10 -15
12
13

Das freie Neutron -
Ein Geschenk der Natur
Neutronen als Bausteine der Atomkerne machen etwa
die halbe Masse unserer bekannten materiellen Welt
aus. Sie sind der „Klebstoff“, der die positiv geladenen
Protonen im Kern zusammenhält, die sonst durch
elektrostatische Abstoßung explosionsartig auseinander
fl iegen würden. Für die Forschung sind Neutronen
besonders nützlich als freie, nicht im Kern gebundene,
Elementarteilchen. Effi ziente Prozesse zur Freisetzung
von Neutronen aus Kernmaterie sind Kernspaltung
und Spallation. Bei der in den Forschungsreaktoren
ablaufenden Kettenreaktion wird pro Spaltung eines
235
U Kerns etwa ein für die Forschung verwendbares
Neutron freigesetzt. Die Spallation ist ein wesentlich
effizienterer Prozess, bei dem Kernmaterie mit hochenergetischen
Protonen beschossen und dadurch in
einen angeregten Zustand aufgeheizt wird. Je nach
Targetmaterial (Uran, Blei, Quecksilber,…) und Protonenenergie
(typisch etwa 1 GeV) dampfen dabei 20 bis
über 30 Neutronen pro Kern ab.
Labor auf Femtometerskala
Als freie Teilchen sind Neutronen aufgrund der schwachen
Wechselwirkung gegen den -Zerfall nicht stabil
und zerfallen in ein Proton, ein Elektron und ein
Antineutrino. Die Halbwertszeit von ca. 890 s lässt
genügend Zeit für Untersuchungen an freien Neutronen.
Gemäß der Standardtheorie der Elementarteilchenphysik
bestehen Neutronen aus drei Quarks - ein „up“- und
zwei „down“-Quarks, die durch Gluonen zusammengehalten
werden. Sie stellen ein hochempfi ndliches Labor
auf der Femtometerskala dar, welches Präzisionstests
der Standardtheorie erlaubt. Die experimentell bestimmten
Werte für Ladung, magnetisches Monopolmoment
und elektrisches Dipolmoment des Neutrons
sind alle mit 0 verträglich, und sie wurden mit der
unglaublichen Genauigkeit von 10 -21 e, 10 -20 e/2 bzw.
10 -25 e·cm gemessen (e = Elementarladung, = Feinstrukturkonstante).
Außergewöhnliche Sonde
Freie Neutronen sind noch in einem ganz anderen Sinn
ein „Geschenk der Natur“, nämlich als Sonde mit ganz
außergewöhnlichen Eigenschaften für Untersuchungen
kondensierter Materie. Sie ermöglichen uns einen tiefen
Einblick ins Innere kondensierter Materie und machen
in der Neutronenstreuung Strukturen von Pikometern
bis Mikrometern und Bewegungen auf Zeitskalen von
Pikosekunden bis Mikrosekunden der Untersuchung
zugänglich. Mit abbildenden und kinematischen Verfahren
werden noch größere Strukturen und langsamere
Bewegungen sichtbar. Als solche ausgezeichnete
Sonden sind Neutronen unerlässlich für so unterschiedliche
Gebiete wie Physik, Chemie, Kristallographie,
Materialwissenschaften, Biologie, Geowissenschaften,
Ingenieurwissenschaften bis hin zu Archäologie und
Kunstgeschichte.
Abb. 2.2. Neutronenradiographie und schematische
Darstellung einer Ariane-Sprengkapsel.
Hohe Eindringtiefe
Als elektrisch neutrale Teilchen dringen Neutronen
tief in Materie ein - viele Zentimeter in den typischen
technischen Strukturmaterialien. Zum Vergleich: die
Eindringtiefe von Röntgenstrahlung in Übergangsmetallen
beträgt nur wenige Mikrometer bei 10 keV Photonenenergie
und wenige Millimeter bei 100 keV! Mit
Neutronen können Eigenspannungen tief im Innern von
mechanisch belasteten Teilen bestimmt werden.
Zerstörungsfrei
Neutralität hat noch andere wesentliche Vorteile: da
die starke Coulomb-Wechselwirkung entfällt, erlauben
Neutronen zerstörungsfreie Untersuchungen, auch von
empfi ndlichen biologischen Proben. Und nicht zuletzt
können aufgrund der hohen Eindringtiefe komplexe
Probenumgebungen eingesetzt werden, was Untersuchungen
bei extremen Drücken, Temperaturen und
Feldern ermöglicht.
Günstige Wellenlängen und Energien
Die moderne Festkörperforschung führt makroskopische
Eigenschaften kondensierter Materie zurück
auf den atomaren Aufbau, d. h. auf Anordnung und
Bewegung der atomaren Bausteine. Zur experimentellen
Bestimmung dieser Größen ist ein passender
raumzeitlich atomarer Maßstab nötig. Mit Wellenlängen
im Bereich von Atomabständen und Energien, die den
typischen Anregungsenergien in kondensierter Materie
entsprechen, erfüllen Neutronen in idealer Weise diese
Funktion als „Spion in der Nanowelt“. Neutronenstreuung
deckt den relevanten Parameterbereich im Raum-
Zeit-Diagramm ab. Sie erlaubt Strukturbestimmung
von 10 -4 Å bis 10 5 Å, Neutronentomographie eröffnet
den Zugang zur makroskopischen Welt von Mikrometern
bis Metern. Dynamik kondensierter Materie wird
zugänglich im Zeitfenster von 100 fs bis 100 µs, was so
unterschiedliche Prozesse abdeckt wie Diffusion, Magnonen,
Phononen, Tunnelprozesse, bis hin zu Reptation
von großen Polymerketten. Schließlich erlauben kinetische
Messungen, an die makroskopischen Zeiten von
Millisekunden bis Stunden anzuschließen.
Frequenz [Hz]
Länge d=2/Q [Å]
10 6 10 5 10 4 10 3 10 2 10 1
10 14
optische Raman-
10 0
10 12 Spektroskopie
10 -2
10 10
Neutronen- und 10 -4
optische Brillouin-
10 8
Röntgenstreuung
Spektroskopie
10 -6
10 6
10 -8
10 4 optische
Röntgen-Photonen- 10 -10
Korrelationsspektroskopie
10
10 2 Photonenkorrelationsspektroskopie
10 -14
PCS
-12
XPCS
10 0
zeitaufgelöste Röntgenund
Neutronenstreuung
10 -2
10 -16
10 16 10 -6 10 -5 10 -4 10 -3 10 -2 10 -1 10 0
Streuvektor Q [Å -1 ]
Energie E=h [eV]
Abb. 2.1. Links: Hoher Druck und hohe Temperaturen sind wichtig bei Untersuchungen in Geologie und Umweltforschung.
Rechts: Hohe Felder und tiefe Temperaturen sind essentiell für Untersuchungen an magnetischen Systemen.
Abb. 2.3. Günstige Wellenlängen und Energien.
Abb. 2.4. Magnetische Struktur von Er 6
Mn 23
.
14 Was macht Neutronen so einzigartig 15

Magnetisches Dipolmoment
Das Neutron hat noch eine weitere wichtige Eigenschaft,
die es für den Forscher so wertvoll macht: das
Kernmoment und sein magnetisches Dipolmoment.
Damit werden sowohl der Magnetismus der Atomkerne
als auch die magnetische Struktur, die magnetischen
Anregungen und Fluktuationen der Elektronen im
Festkörper, zugänglich, mit wichtigen Anwendungen in
korrelierten Elektronensystemen oder im Nanomagnetismus.
Bei der präzisen magnetischen Strukturaufklärung
mit polarisierten Neutronen und der kompletten
Bestimmung magnetischer Anregungen haben Neutronen
unter allen Methoden ein Alleinstellungsmerkmal.
Kein Wunder also, dass die beiden Nobelpreise an
C. G. Shull und B. N. Brockhouse im Jahre 1994 gerade
für diesen Themenkreis vergeben wurden!
Kontrastvariation
Bei der Bestimmung von Lage und Bewegung von
Atomen ist der Streuquerschnitt aufgrund der Wechselwirkung
des Neutrons mit den Atomkernen entscheidend.
Dieser variiert relativ unsystematisch innerhalb
des Periodensystems der Elemente - ganz im Gegensatz
zum Streuquerschnitt von Röntgenstrahlen, der stetig
mit der Anzahl der Elektronen eines Atoms ansteigt.
Mit Neutronen können daher auch im Periodensystem
benachbarte Atome klar unterschieden werden, und
Abb. 2.6. Kontrastvariation durch H-D Isotopenersatz,
schematisch. Verschiedene funktionelle Einheiten können
gegenüber dem Lösungsmittel hervorgehoben oder unterdrückt
werden.
leichte Atome bleiben sichtbar neben den schweren.
Verschiedene Isotope ein und desselben Elements können
gänzlich verschiedene Streuquerschnitte aufweisen.
Forscher, die biologische Proben und weiche Materie
untersuchen, machen sich diese Eigenschaften zunutze,
indem sie in einzelnen funktionellen Gruppen oder
Molekülen Wasserstoff durch Deuterium ersetzen und
diese damit quasi „anfärben“. Diese Kontrastvariation
erlaubt die Bestimmung von Position und Bewegung
einzelner Moleküle oder Gruppen in einem komplexen
mehrkomponentigen System.
Neutronen und Wasserstoff
Wasserstoff ist das leichteste Element mit
nur einem Elektron. In kondensierter Materie
ist er ein wichtiger Strukturbaustein,
der entweder kovalent gebunden oder
in H 2
O-Molekülen enthalten ist. Bei der
Strukturanalyse sehen Röntgenstrahlen
die Elektronendichteverteilung der Atome
oder Ionen. Das eine Wasserstoffelektron
hat dabei nur einen geringen Beitrag - vor
allem im Vergleich zu Schweratomen mit
hoher Ordnungszahl - und ist zusätzlich
wegen der kovalenten Bindung gegenüber
der Protonenposition delokalisiert.
Für die Neutronenbeugung ist der Wasserstoff
- genauer gesagt das Proton ( 1 H)
und für das schwere Wasserstoffisotop
das Deuteron ( 2 H) - gut zu erkennen und
zu lokalisieren. Wegen der unterschiedlichen
Vorzeichen der Streulängen
(( 1 H) = -3.74 fm und ( 2 H) = +6.67 fm)
ergibt sich darüber hinaus die Möglichkeit
einer Kontrastvariation zwischen
protonierten und deuterierten Strukturkomponenten.
Detaillierte Informationen über die
H,D-Verteilung in Wasserstoffbrückenbindungen
oder im Zusammenhang mit
Molekülfehlordnungen sind eine Domäne
der Neutronenstreuung. Entsprechende
Fragestellungen sind auch für die Strukturforschung
von biologischen Makromolekülen
von großer Bedeutung.
x 10 σ tot
[barn] σ tot
[barn] Streuquerschnitt
0,66
24
416
450
522
1408
2985
H
1
C
6
Mn
25
Fe
25
Ni
28
Pd
46
Ho
67
U
1,75
5,55
1,75
11,22
13,30
4,39
8,05
5531 8,90
92
1 2
58 60 62
O2c
O1
z bei
+ 4 K
Rb
O2a
O2 H
O1b
P
O1c
2−fache Achse
O
P
O
[110] o
2−fache Achse
O
O
z bei
- 1 K
Rb
O H
H
P
O
4-Achse
O
O
O
P
O
4-Achse
y t
Röntgen Element Neutronen
z
Abb. 2.5. Vergleich der Streuquerschnitte - repräsentiert durch die Kreisfläche - einiger Elemente für Röntgen und Neutronen.
Die farbliche Markierung der Neutronenstreuquerschnitte entspricht Streuung mit oder ohne Phasensprung von
180°.
Abb. 2.7. Protonenordnung in O-H···O Wasserstoffbrückenbindungen am Phasenübergang von RbH 2
PO 4
bei
= 147 K
von der paraelektrischen Kristallstruktur mit der Raumgruppe 42d (links) zu der ferroelektrischen Fdd2-Struktur (rechts).
Mit der H-Ordnung bei <
ist eine Deformation der Kristallstruktur entsprechend den eingezeichneten Pfeilen verbunden,
die zum Auftreten einer spontanen elektrischen Polarisation in z-Richtung führt.
16 Was macht Neutronen so einzigartig 17

Das Neutron und die
Herausforderungen des 21.
Jahrhunderts
Forschung mit Neutronen ist unverzichtbar für die
Lösung vieler grundlegender Fragestellungen der
modernen Naturwissenschaften. Als Beispiel sei die
moderne Physik herausgegriffen, deren aktuelle intellektuelle
Herausforderungen sich plakativ nach den
„drei Unendlichkeiten“ ordnen lassen: dem Verständnis
des „unendlich Kleinen“ (Fundamentale Kräfte und
Grundbausteine der Materie), des „unendlich Großen“
(Ursprung und Entwicklung des Universums) und des
„unendlich Vielfältigen“ (Phänomene kondensierter
Materie als Folge des Wechselspiels einer großen Anzahl
von Atomen bzw. Molekülen). Neutronen tragen
Wesentliches zu allen diesen Fragestellungen bei. Sie
sind dabei meist nicht ersetzbar.
Neutron als Untersuchungsobjekt
Zum einen sind Neutronen selbst das Untersuchungsobjekt.
Auf der größten Skala geben sie entscheidende
Impulse für die Kosmologie, etwa für das Verständnis
der Entstehung der Elemente und der Phasenübergänge
des frühen Universums. Auf der kleinsten Skala
erlauben sie, die Grenzen des Standardmodells der
Teilchenphysik auszuloten und ermöglichen wesentliche
Fortschritte im Verständnis der starken, elektroschwachen
und gravitativen Wechselwirkungen. Als neutrale
elementare Teilchen sind Neutronen ideale Quantenobjekte,
mit denen neuartige nichtklassische Zustände
erzeugt und untersucht werden können.
Neutron als Sonde
Zum anderen sind Neutronen vorzügliche Sonden
zur Untersuchung von kondensierter Materie in ihrer
ganzen Vielfalt. Diese Untersuchungen betreffen die
„unendlich vielen Dinge“, mit denen wir täglich in
Berührung kommen und die hochkomplexen Phänomene,
die aus dem Zusammenspiel der Teilkomponenten
resultieren. Vielleicht am deutlichsten sichtbar wird die
hiermit verbundene Herausforderung in den Lebenswissenschaften.
Nach Aufklärung der atomaren Struktur
von Proteinen steht ein Verständnis der molekularen
biologischen Prozesse an, und Neutronen als Sonden
haben an Quellen der nächsten Generation ein enormes
Potential, solche dynamische Vorgänge aufzuklären.
Die Physik als Basiswissenschaft nähert sich der Biologie
über die Untersuchung von weicher Materie, die in
mehrkomponentigen Systemen komplexe Selbstorganisation
zeigt. Vorgänge auf mikro- bis mesoskopischen
Längenskalen in derart komplexen Systemen lassen
sich hervorragend mit Neutronenstreuung aufklären,
die durch gezielte Deuterierung eine mehrdimensionale
Kontrastvariation erlaubt.
Empfindlich ...
Komplexität ist auch die große Herausforderung der
modernen Festkörperforschung. Mit der Empfi ndlichkeit
für Wasserstoff oder für molekulare Schwingungen
liefern Neutronen einzigartige Beiträge, z. B. für die supramolekulare
Chemie oder die Katalyse. Faszinierende
makroskopische Quanteneffekte, wie die Hochtemperatursupraleitung
oder der kolossale Magnetowiderstand,
treten in komplexen Übergangsmetalloxiden mit starken
elektronischen Korrelationen auf. Mit dem empfi ndlichen
Wechselspiel zwischen den Spin-, Ladungs-, Orbital-
und Gitterfreiheitsgraden, die zur Selbstorganisation
auf einer Nanometerskala führen, versprechen solche
Verbindungen noch viele überraschende Entdeckungen
und neuartige Anwendungen, etwa in der Sensorik
oder Spintronik. Neutronen erlauben, die Ordnung und
Anregungen der relevanten Freiheitsgrade empfi ndlich
nachzuweisen und damit zwischen den verschiedenen
möglichen Mechanismen zu unterscheiden.
...auf allen Skalen
Neutronen als Sonden in der Nanowelt eignen sich
jedoch nicht nur für Untersuchungen auf kleinster Skala
(Pikometer bis Mikrometer) und auf kürzesten Zeiten
(Pikosekunden bis Mikrosekunden). In der Geologie
gestatten Texturuntersuchungen mit Neutronen, verbunden
mit entsprechender Modellierung, Aussagen über
geodynamische Vorgänge, die über Millionen von Jahren
und Kilometern von Tiefenbewegungen verlaufen.
Breites Anwendungsspektrum
Diese unvollständige Aufzählung von aktuellen Fragestellungen
in der Forschung mit Neutronen vermittelt
einen ersten Eindruck von der Breite des Anwendungsspektrums
dieses „Geschenks der Natur“. Es kann
nicht das Ziel dieses Papiers sein, dieses Spektrum
in voller Breite abzudecken. Wir konzentrieren uns
daher auf einige wenige, zum Teil fächerübergreifende,
Herausforderungen des 21. Jahrhunderts, die sich unter
Schlagworten „Komplexität“, „Korrelationen“, „Eingeschränkte
Dimensionalität“ zusammenfassen lassen.
Die im Folgenden angesprochenen Themen haben Beispielcharakter
und lassen sich oft unter verschiedenen
Kategorien einordnen. So ist es zwar nahe liegend, biologische
Fragestellungen unter dem Oberbegriff „Komplexität“
einzuordnen. Andererseits liefern biologische
Membranen ein schönes Beispiel für „Eingeschränkte
Dimensionalität“.
Neben der Beantwortung grundlegender Fragestellung
hat die Forschung mit Neutronen auch großen Anwendungsbezug
und strahlt damit direkt aus in unser tägliches
Leben. Dieser Aspekt wird im folgenden Kapitel
schlaglichtartig beleuchtet. Eine weitergehende und umfangreichere
Analyse der Möglichkeiten der Forschung
mit Neutronen fi ndet sich in [5] und [6].
18 Herausforderungen
19

Komplexität
Die Strategie der Naturwissenschaften, möglichst einfache
Modellsysteme zu untersuchen, hat in der Vergangenheit
beeindruckenden Erfolg verzeichnet und herrliche
Früchte getragen. Reale Systeme der kondensierten
Materie, der Geowissenschaften und insbesondere der
Lebenswissenschaften zeichnen sich jedoch gerade
dadurch aus, dass sie aus vielen, zum Teil recht unterschiedlichen,
Bestandteilen bestehen, die voneinander
abhängig sind und in Verhalten und Wirkung Veränderungen
unterworfen sein können. Charakteristisch für
solche komplexen Systeme ist das Phänomen der Selbstorganisation.
Das Zurückführen auf einfachere Modellsysteme
erscheint höchstens bedingt möglich. Eine der
großen Herausforderungen für die Naturwissenschaften
im 21. Jahrhundert ist es, neue Konzepte, basierend auf
höheren Organisationsprinzipien zu entwickeln, um
fächerübergreifend zu einem tieferen Verständnis komplexer
Systeme zu gelangen.
Abb. 2.8. Schematische Darstellung einer biologischen
Membran, die den komplexen Aufbau als Multikomponentensystem
verdeutlicht.
Fragestellungen
Typische grundlegende offene Fragen, zu deren Beantwortung
Neutronen entscheidend beitragen können,
sind:
• Welches sind die universellen Prinzipien von Strukturbildung
und Selbstorganisation in der Natur, und
wie können sie in der Materialwissenschaft genutzt
werden
• Können wir chemische Reaktionen und Reaktionswege
in Multikomponentensystemen vorhersagen
• Können wir gezielt Vielkomponenten-Materialien
erzeugen mit maßgeschneiderten makroskopischen
Eigenschaften
• Wie sind biologische Funktionen und Prozesse mit
der Struktur und Dynamik von makromolekularen
Systemen verbunden
• Welche Rolle spielt Wasser in geodynamischen Prozessen
wie Plattentektonik, Vulkanismus und Gesteinsumwandlung
Beispiele für komplexe Systeme
• Bio-Materialien bestehen aus einer Unmenge verschiedener
molekularer Spezies, die auf spezifi sche
Art miteinander wechselwirken, sich selbst organisieren
und damit Lebensprozesse erst ermöglichen
(s. Abb. 2.8).
• Weiche Materie begegnet uns oft in Form von
Vielkomponentensystemen, in denen Strukturbildung
durch Selbstorganisation auftritt. Solche
Mischmaterialien sind allgegenwärtig in der technischen
Anwendung:
- Mikroemulsionen, d. h. makroskopisch homogene
Phasen, die durch Zusatz eines oberfl ächenaktiven
Stoffes (Tensids, „Surfactant“) zu einem
Gemisch von zwei gewöhnlich nichtmischbaren
Flüssigkeiten, wie Öl und Wasser („Sauce Vinaigrette“),
entstehen (s. Abb. 2.9).
- Kolloidale komplexe Flüssigkeiten, d. h. in Dispersionsmittel
fein verteilte Stoffe – ein alltägliches
Beispiel ist Milch.
- Strukturbildung in makromolekularen, polymeren
Systemen, die z. B. zur Herstellung von
geordneten Nanostrukturen genutzt werden kann.
• Komplexe Festkörper, etwa komplexe Metalllegierungen
mit Einheitszellen, die aus vielen tausend Atomen
bestehen oder komplexe Übergangsmetalloxide,
wie Hochtemperatursupraleiter oder Manganate mit
kolossalem Magnetowiderstand. Diese Materialien
zeigen elektronische Selbstorganisation auf der Nanometerskala,
etwa in Form von Streifenordnung oder
elektronischer Phasenseparation (s. Abb. 2.10).
• Komplexe Geomaterialien, die aus mehreren Phasen
mit unterschiedlicher Textur zusammengesetzt
sind. Die Multiphasentextur gibt Aufschluss über die
geodynamische Vorgeschichte, d. h. die Zeitentwicklung
von Druck und Temperatur (s. Abb. 2.11).
Intensität / 10
30
25
20
15
10
020.omp
111 − .omp
100.qtz
220.gar
Mn 3+ Mn 3+ Mn 4+ Eklogit wk17− 98A
111.omp
011/101.qtz
021.omp
220.omp
321.gar
221 − .omp
310.omp
311 − .omp
130.omp
400.gar
420.gar
131 .omp
202 − .omp
002.omp
30 40 50 60 70 80
221.omp
332.gar
110.qtz
2 Theta
131.omp
422.gar
400.omp
311.omp
312 − .omp
112.omp
022.omp
431.gar
012/102.qtz
111.qtz
330.omp
521.gar
331 − .omp
421 − .omp
Abb. 2.9. Darstellung der bikontinuierlichen Phase
einer Mikroemulsion.
Abb. 2.10. Streifenordnung in Manganaten aufgrund
elektronischer Phasenseparation.
Abb. 2.11. Neutronen-Texturanalyse der verschiedenen
Komponenten einer Gesteinsprobe als Beispiel
eines geologischen Multiphasenmaterials.
440.gar
041.omp
402 − .omp
202.omp
132 − .omp
241 − .omp
021/201.qtz
611/532.gar
331.omp
422 − .omp
620.gar
112.qtz
20 Komplexität
21

Zelluläre und molekulare
biologische Strukturen und
Prozesse
Ziele der modernen Biologie sind, Mechanismen, die
Lebensprozessen zugrunde liegen, auf molekularer oder
zellulärer Ebene zu verstehen. Dabei sind die Kenntnis
der dreidimensionalen molekularen Struktur und die
Interaktion mit anderen Molekülen von entscheidender
Bedeutung. So werden einige der großen Herausforderungen
der nächsten Jahrzehnte die Aufklärung der
molekularen Mechanismen von Infektionskrankheiten,
der Krebsentstehung und der Funktion und Dysfunktion
des Nervensystems sein. Ebenfalls wird das aus
der Genomforschung hervorgegangene Arbeitsgebiet
der Proteomics eine wesentliche Bedeutung erlangen.
Neutronenstreuung kann hier wichtige Erkenntnisse
beisteuern, indem enzymatische Prozesse durch Proteinkristallographie
an isotopensubstituierten Proteinen
oder die Wechselwirkung verschiedener Komponenten
(Protein-Nukleinsäure oder Protein-Protein-Komplexe)
studiert werden. Die besondere Stärke der Neutronenstreuung
besteht darin, dass man durch Isotopensubstitution
molekularen Komponenten sichtbar machen und
Kontrast erzeugen kann (s. Abb. 2.12).
Grenzflächen zwischen Molekülen
Eine besondere Rolle kommt der Untersuchung von
Vorgängen an Grenzfl ächen zwischen Makromolekülen
zu, da dies in lebenden Systemen eine Vielzahl biologischer
und chemischer Prozesse umfasst. Ein herausragendes
Beispiel sind die biologischen Membranen,
für die das strukturelle und funktionelle Verständnis
der Membranproteine sowie deren Wechselwirkung mit
Molekülen auf beiden Seiten der Zellmembranen auch
auf absehbare Zeit eine der größten Herausforderungen
der modernen Biologie darstellt (s. Abb. 2.13).
Proteindynamik
Eine ebenso wichtige Rolle spielt das Verständnis der
Proteindynamik, bei der die interne Dynamik biologischer
Makromoleküle auf einer Pikosekundenzeit- und
Ångströmlängenskala untersucht werden. Im Bereich
von Proteinbindungsreaktionen wird die Wechselwirkungskinetik
biologischer Makromoleküle in Mikrosekunden
und bis zur atomaren Aufl ösung beobachtet.
Beispiel: biologischer Vorgang
Neutronen können komplementäre Beiträge zu den in
der Strukturbiologie weit verbreiteten Techniken wie
NMR oder Röntgen-/Synchrotronstreuung leisten und
liefern so Schlüsselinformationen zum Verständnis
komplexer biologischer Vorgänge. Als ein Beispiel
sei hier die Komplexbildung im Chaperon erläutert.
Chaperone (frz. le chaperon = die Kappe) sind große
makromolekulare Komplexe, die an der Faltung von
Proteinen beteiligt sind. Sie bestehen im E.coli Bakterium
aus den beiden Komplexen GroEL (14 Untereinheiten
à 60 kDa; 1 Da = Masse eines Kohlenstoffatoms)
und GroES (sieben Untereinheiten à 10 kDa), s. Abb.
2.14. Eine strukturell ähnliche Untereinheit wird auch
in einem Virus, dem so genannten T4-Phagen, gefunden:
das Molekül GP31. Dieses Makromolekül kann
das GroES im bakteriellen Chaperon ersetzen und er-
möglicht dann vermutlich präferentiell die Synthese und
korrekte Faltung eines anderen Phagenproteins (GP23).
Auf diese Art und Weise kann das Virus das bakterielle
Chaperon ‚umprogrammieren‘, so dass in diesem speziellen
Fall auch ohne Weitergabe von Erbinformation die
Produktion von Virusmaterial unterstützt wird.
Wie lässt sich der Prozess sichtbar
machen
Mittels Kontrastvariation (Austausch von 1 H gegen 2 H)
kann in sogenannten ‚chasing experiments‘ die Kinetik
der eben beschriebenen Komplexbildung verfolgt
werden. Das bedeutet im Prinzip, dass vermessen wird,
ob und wie schnell sich der virale GP31 Proteinkomplex
an die Stelle des bakteriellen GroES ‚schummeln‘
kann. Dies geschieht folgendermaßen: An die größere
bakterielle Untereinheit GroEL wird die Kappe aus
viralem GP31 oder bakteriellem GroES gebunden.
Diese Komplexe werden in einem Lösungsmittel aufgenommen,
dessen Streulängendichte der von deuteriertem
[ 2 H]GroES entspricht. Dann wird [ 2 H]GroES
im Überschuss zusammen mit ADP (einem Energielieferanten)
zugegeben und beobachtet, wie sich die
Streuung zeitabhängig verändert. Wird GP31 gegen die
deuterierte bakterielle Kappe [ 2 H]GroES ausgetauscht,
erscheint das Chaperon GroEL–[ 2 H]GroES kleiner als
der Komplex bestehend aus GroEL–GP31 oder Gro-
EL–GroES, da in dem gewählten Lösungsmittel das
[ 2 H]GroES ‚unsichtbar‘ ist (contrast matching). Aus
solchen Messungen ergibt sich, dass die Kappe des T4-
Phagen mit GroEL einen stabileren Komplex bildet als
das ursprüngliche bakterielle System GroEL–GroES.
Diese Langzeitstabilität der Verbindung aus bakteriellen
und viralen Makromolekülen kann somit die
korrekte Faltung des Phagenproteins GP23 unterstützen
und erklären, wie trickreich sich ein Phage vermehren
kann.
D 2
O
SO 4
Abb. 2.12. Beispiel für die 1,5 Å hochaufgelöste Kristallstruktur
von Myoglobin. Die atomare Dichtekarte zeigt
in blau (1,5 σ) und in rot (-2,0 σ) positive und negative
Streulängenbeiträge. Der Wasserstoff 1 H (rot) und, in der
Kontaktregion zwischen zwei Molekülen, das schwere
Wasser D 2
O sind deutlich zu sehen.
D 2
O
22 Komplexität: Biologie
23

Mögliche zukünftige Anwendungen:
Kernspinkontrastvariation
Im Gegensatz zu der oben erwähnten Möglichkeit,
interessante Bereiche in einem Makromolekül
durch Isotopensubstitution zu markieren, bietet die
Neutronenstreuung zudem die Option, polarisierte
Neutronen an polarisierten Kernspins (im wesentlichen
1
H) zu streuen (s. Abb. 2.15). Die zeitaufgelöste
Neutronenstreuung an dynamisch polarisierten
Protonenspins erlaubt die Untersuchung von sehr
verdünnten paramagnetischen Strukturen. Hierzu
gehört beispielsweise eine Reihe von Enzymen,
deren aktive Zentren in einen radikalischen
Zustand übergehen können oder ihn an anderer
Stelle innerhalb des Proteins auslösen. Eine erste
entsprechende Untersuchung wurde an dem
katalasegebundenen Tyrosylradikal durchgeführt. Der
erste zweifelsfreie Nachweis der Kernspindiffusion
in einem protonenreichen Molekül gelang in einem
Biradikalmolekül.
Der Aufbau des intramolekularen Polarisationsgradienten
ist rasch (< 1 Sekunde) und somit nur über
zeitaufgelöste Neutronenstreuung, nicht aber mit NMR,
nachweisbar, denn NMR-Messungen erfordern mehr
Zeit. Auf diese elegante Weise kann im Inneren eines
Proteins ein Streukontrast erzeugt werden, der zur
Strukturuntersuchung herangezogen werden kann.
Abb. 2.13. Ein Beispiel für Vorgänge an biologischen
Membranen ist die Einlagerung von Squalene, einem
Polyisopren. Die Phospholipide POPC und POPS bilden
eine Membran mit und ohne Squalene. Polyisoprene sind
Bestandteile von Biomembranen, die keine polare Gruppe
besitzen; über ihre Funktion ist wenig bekannt. Auffällig ist,
dass in allen Membranen, die Protonengradienten aufrechterhalten
müssen, diese Kohlenwasserstoffe zu finden
sind. Mit Neutronendiffraktion konnten diese Moleküle zum
ersten Mal in der Membran lokalisiert werden. Ihre Position
zwischen den Monoschichten des Lipidbilayers kann eine
mögliche Erklärung liefern, warum diese Moleküle als Protonenbarriere
dienen.
Abb. 2.14. Kristallstruktur von GroEL(blau)/GroES(rot)
[1AON.pdb, A Seitenansicht, B Draufsicht] im Vergleich zur
Kristallstruktur von GP31 (grüne Schleifendarstellung, C)
und GroES (blaue Schleifendarstellung, D). Obwohl GP31
und GroES nur eine geringe Sequenzhomologie aufweisen,
sind beide Komplexe strukturell so ähnlich, dass es zu einer
Verdrängung von GroES kommt, wenn GP31 präsent ist.
A: GroEL/GroES B C: GP31 D: GroES
R1
R2
R1
Abb. 2.15. Dieses Biradikalmolekül mit einem festen
Abstand von 38 Å zwischen den an den Enden befindlichen
radikalischen Nitroxydgruppen (NO durch grüne bzw. blaue
Punkte gekennzeichnet) dient nicht nur der Eichung in der
EPR-Spektroskopie. Es unterstützt auch in hervorragender
Weise den Vorgang der Kernspinpolarisation durch Mikrowelleneinstrahlung
in einem starken Magnetfeld bei tiefen
Temperaturen. In einem ersten Schritt der dynamischen
Kernspinpolarisation (DNP) werden die Protonen in dem
durch R1 gekennzeichneten Gebieten polarisiert. Da das Lösungsmittel
deuteriert ist, greift in einem zweiten Schritt die
Polarisation vorzugsweise auf die benachbarten Kernspins in
R2 über.
24 Komplexität: Biologie
25

Komplexe Systeme der weichen
Materie
„Weiche Materie“, z. B. Polymere, Kolloide, Mikroemulsionen,
Gele oder Biopolymere und Membranen
zeichnet sich aus durch:
• eine große Zahl an weichen internen Freiheitsgraden,
dies führt zu einer großen Reaktion auf kleine externe
Einfl üsse;
• die Komplexität;
• die große Bedeutung entropischer Kräfte;
• Struktur auf mesoskopischer Längenskala
(Nanometer bis Mikrometer).
Die vielseitigen Eigenschaften dieser „weichen“ Materialien
führen zur Anwendung in den verschiedensten
Bereichen von Öladditiven, Kosmetika, Farben, Waschmitteln
bis hin zu Nahrungsmitteln.
Universalität
So unterschiedlich die Materialien und ihre Anwendungen
auch sind, bleibt doch die grundlegende Frage
die gleiche: wie bestimmen die mikroskopische Zusammensetzung
und die damit verbundenen Wechselwirkungen
die Struktur, die Dynamik und damit die
makroskopischen Eigenschaften des Materials Die
Beantwortung bedeutet nicht nur Fortschritt für die
Festkörperforschung im Sinne eines grundlegenden
Verständnisses, sondern öffnet den Weg zu einer gezielten
Beeinfl ussung der makroskopischen Eigenschaften
durch Veränderung mikroskopischer Parameter. Ein
wichtiges Ergebnis der bisherigen Forschung ist z. B.,
dass bei aller Komplexität interessanterweise viele
Phänomene der weichen Materie unabhängig von der
chemischen Struktur des betrachteten Materials sind,
d. h. sie sind universell. So ist die Konformation einer
sehr langen Polymerkette in der Schmelze knäuelartig.
Der Radius dieses Knäuels hängt von der Zahl der Monomere
ab, nicht aber von der chemischen Zusammensetzung
des Monomers.
Vielkomponentensysteme
Die Systeme, die heute in der industriellen Anwendung
eine Rolle spielen, werden immer komplexer, meist
sind es Vielkomponentensysteme, und diese müssen
für hochspezialisierte Anwendungen zugeschnitten
sein. Verwandt mit den Materialien aus der industriellen
Anwendung sind komplexe biologische Stoffe
wie Membranen und intrazellulare makromolekulare
Netzwerke. Dies sind selbstorganisierende Multikomponentensysteme,
deren Funktion durch die Wechselwirkung
verschiedener molekularer Komponenten
bestimmt wird, deren physikalische Eigenschaften sich
aber grundlegend von denen der einzelnen Komponenten
unterscheiden.
Kontrastvariation
Die Neutronenstreuung liefert den Zugang zu diesen
komplexen Systemen mit Hilfe gezielter Kontrastvariation.
Durch Austausch von Wasserstoff mit Deuterium
werden einzelne Moleküle oder Teile von ihnen sichtbar
gemacht. So werden komplexe Strukturen entschlüsselt
und die Dynamik einzelner Komponenten und deren
Korrelationen mit raum-zeitlicher Auflösung auf molekularen
Skalen zugänglich. Diese einzigartige Technik
und die mit Neutronen realisierbare Aufl ösung auf
molekularen Zeit- und Längenskalen, die optimal zur
Untersuchung der komplexen Systeme genutzt werden
kann, erklären die herausragende Rolle der Neutronenstreuung
im Bereich der weichen Materie.
Beispiele zu Struktur und Dynamik
Im Folgenden werden zwei typische Neutronenstreuexperimente
vorgestellt, eines zu strukturellen Eigenschaften
eines Mehrkomponentensystems und eines
zur Dynamik. Im ersten Beispiel wird der Einfluss von
Polymeren auf so genannte Mikroemulsionen im Zusammenhang
mit der Effi zienzsteigerung von Tensiden
untersucht.
Abb. 2.16. In den Behältern befindet sich jeweils die
gleiche Menge an Öl und Wasser. Die linke Säule zeigt 2
deutlich getrennte Phasen. Die zweite Säule enthält 5 %
Tensid. In der Mitte ist die Phase des Öl-Wasser-Gemisches
zu erkennen. In der dritten Säule wurde 0,3 %, in der
vierten 0,5 % des Polymers hinzugegeben. Die Menge der
homogenen Öl-Wasser-Mikroemulsion steigt signifikant.
Intensität [cm -1 ]
10 4
10 3
10 2
10 1
10 0
10
0,001 0,01 0,1
-1
Q [Å -1 ]
Öl
Tensid
Polymer
Effizientere Tenside
Mikroemulsionen sind homogene, thermodynamisch
stabile Mischungen von Öl und Wasser, wobei die
Mischbarkeit dieser ansonsten unmischbaren Bestandteile
durch Tenside realisiert wird. Auf mikroskopischer
Skala formen die Tensid-Moleküle eine Grenzschicht
zwischen Öl und Wasser in einer auf kleinstem Raum
eng verzahnten Struktur (bikontinuierliche Phase),
makroskopisch sind sie daher homogen. Die Zugabe
einer geringen Menge eines Diblock-Copolymers (die
Polymerkette besteht hier aus zwei unterschiedlichen
Polymeren) führt nun zu einer dramatischen Erhöhung
der Menge von Öl und Wasser, die mit einem bestimmten
Anteil von Tensid vermischt werden können (s.
Abb. 2.16).
Boosting Effekt
Wie können Neutronen zu einem Verständnis dieses
„Boosting Effekts“ führen Durch Kontrastvariation in
der Neutronenkleinwinkelstreuung können die einzelnen
Bestandteile dieses komplexen Systems einzeln
sichtbar gemacht werden (s. Abb. 2.17). Die Diblock-
Copolymere haben sich in der Grenzschicht zwischen
Öl und Wasser angelagert, da ein Teil des Polymers das
Wasser, der andere das Öl bevorzugt. Die Polymeranlagerungen
ändern die Biegesteifi gkeit der Membran.
Eine erhöhte Steifi gkeit der Membranschicht macht diese
glatter und damit die Membranfl äche effektiv größer,
d. h. es wird weniger Tensid gebraucht, um die gleiche
Menge Öl in Wasser zu lösen.
Abb. 2.17. Links: Durch Kontrastvariation kann die
Sichtbarkeit einzelner Komponenten ein- und ausgeschaltet
werden (orange = Öl, grün = Tensid, blau =
Wasser, schwarz = Polymer). Rechts: Kleinwinkeldaten
für drei partielle Streufunktionen für Öl (orange), Tensid
(grün) und Polymer (schwarz).
26 Komplexität: Weiche Materie 27

Polymerdynamik in der Schmelze
Im zweiten Beispiel geht es um die Bewegung von
Makromolekülen, genauer um die Polymerdynamik
in der Schmelze. Von Theoretikern wurde eine
schlangenartige Bewegung langer Kettenmoleküle, die
so genannte Reptation, vorhergesagt. Zugrunde liegt
diesem Modell die Idee, dass eine einzelne Kette in
ihrer lateralen Bewegung durch topologische Wechselwirkung
mit den Nachbarketten stark eingeschränkt ist.
Diese Einschränkung wird in dem Reptationsmodell
durch eine virtuelle Röhre repräsentiert, die der Kontur
der beobachteten Kette folgt. Diese kann dann nur noch
ihrer eigenen Kontur folgend entlang des Röhrenprofi ls
diffundieren. Diese sehr langsamen Bewegungen kann
man ideal mit der Neutronenspinecho-Spektroskopie
verfolgen, die direkt die Zeitentwicklung der Korrelationen
misst. Für große Molekulargewichte wird De Gennes
Reptationsmodell bestätigt (Abb. 2.18, oben). Durch
Einsatz neuer, höchstaufl ösender Instrumente konnten
Abweichungen von diesem Modell für kleine Molekulargewichte
nachgewiesen werden. Wie Abb. 2.18
S(Q,t) / S(Q)
1,00
0,75
0,50
0,25
M w
= 190 kg/mol
0,00
0 50 100 150
1,00
0,75
0,50
0,25
M w
= 12.4 kg/mol
Zeit / ns
0,00
0 50 100 150
Zeit / ns
Abb. 2.18. Neutronenspinechodaten von Polyethylen
bei 509 K.
Oben:
= 190 kg/mol, die Linien zeigen den Reptationsfit.
Unten:
= 12,4 kg/mol, die gestrichelten Linien zeigen
Erwartung im Rahmen des Reptationsmodells, bei den
durchgezogenen Linien sind die Konturlängenfluktuationen
berücksichtigt.
(unten) zeigt, ist dort das Plateau bei großen Zeiten weniger
stark ausgeprägt. Der weitere Abfall deutet auf einen
zusätzlichen Mechanismus, sog. Konturlängenfl uktuationen,
hin. Das bedeutet, dass die Fluktuationen der
Kettenenden mit wachsender Zeit zu einer Abnahme
der effektiven Röhrenlänge und damit der topologischen
Einschränkung führen. Die durchgezogenen Linien
in Abb. 2.18 (unten) repräsentieren eine Anpassungsrechnung,
deren Basis zwar das Reptationsmodell ist
(gestrichelte Linien im Bild), die aber auch die Zeitabhängigkeit
der Röhrenlänge berücksichtigt.
Komplexe magnetische Phasen
Die Wechselwirkungen zwischen magnetischen Momenten
in kondensierter Materie führen zu einer
Vielzahl unterschiedlichster magnetischer Strukturen.
Neben einfacher ferromagnetischer Ausrichtung kann
es bei antiferromagnetischer Wechselwirkung zu komplexen
Anordnungen und Ausrichtungen der Momente
kommen. Durch Variation der Temperatur, des externen
Magnetfeldes und anderer Parameter kann man die
magnetischen Ordnungszustände oft leicht modifi zieren.
Neutronenstreuung ist die Methode der Wahl zur
Untersuchung dieser magnetischen Phasen.
„Frustrierte Magnete“
Ein einfaches Beispiel der Ausbildung einer komplexen
magnetischen Struktur ist das antiferromagnetische
Dreiecksgitter. Platziert man auf zwei Ecken eines
gleichschenkligen Dreiecks zwei Spins antiparallel,
kann ein dritter Spin auf dem noch freien Platz nicht
mehr gleichzeitig antiparallel zu den beiden anderen
stehen. Diese sog. Frustration kann teilweise umgangen
werden, wenn die Spinmomente in der Ebene bzw. im
Raum beliebig einstellbar sind. Als Kompromiss bildet
sich dann eine 120°-Struktur der Momentorientierung
aus. Abb. 2.19 zeigt dies am Beispiel des Antiferromagneten
CsMnBr 3
, dessen Mn-Ionen das Dreiecksgitter in
der hexagonalen Kristallebene bilden. Es verbleibt ein
zweifach entarteter Grundzustand: energetisch gesehen
spielt es nämlich keine Rolle, ob ein benachbarter Spin
nach links oder nach rechts um 120° gedreht ist. Sobald
sich jedoch diese Drehrichtung (= Chiralität) ausgebildet
hat, sind sämtliche Momentorientierungen im
Kristall festgelegt. Unterhalb der antiferromagnetischen
Ordnungstemperatur T N
bilden sich an verschiedenen
Stellen im Festkörper mehr oder weniger zufällig Bereiche
unterschiedlicher Chiralität aus. Mit Hilfe polarisierter
Neutronen können die relativen Anteile dieser
Domänen im Kristall sichtbar gemacht und untersucht
werden.
Chiralen Domänen auf der Spur
Die Größe und Verteilung der chiralen Domänen
hängen vom Kristall, der Abkühlvorgeschichte und von
externen Parametern, wie Torsion der Probe und elektrischen
Feldern, ab. Für den Fall ungleicher Domänenpopulationen
ergibt sich ein Unterschied in der Streuintensität,
∆ I= I + - I - , der magnetischen Bragg-Reflexe für
verschieden polarisierte Neutronen. So sind Neutronen
mit einer Polarisation parallel zu einem magnetischen
Führungsfeld, I + , sensitiv auf eine Sorte chiraler Domänen,
während die antiparallel ausgerichteten Neutronen,
I - , die Domänen mit entgegengesetztem Drehsinn detektieren.
Ein Beispiel für einen mit Hilfe polarisierter
Neutronen gemessenen Unterschied in der Domänenpopulation
von CsMnBr 3
zeigt das Inset in Abb. 2.20 für
den (1/3 1/3 1)-Reflex.
Vorhersagen bestätigt: „chirale
Universalität“
Eine wichtige Eigenschaft von Phasenübergängen ist
deren Universalität. Dies bedeutet, dass das kritische
Verhalten physikalisch unterschiedlichster Systeme
nur von wenigen Parametern, wie der Dimension und
der Zahl der Freiheitsgrade des Ordnungsparameters,
abhängt. Das kritische Verhalten wird von einem Satz
sogenannter kritischer Exponenten charakterisiert. Für
die oben beschriebenen Antiferromagneten mit chiraler
Ordnung wurden neue Universalitätsklassen vorhergesagt.
Die konventionellen kritischen Exponenten sind
modifi ziert und neue Exponenten, die das Verhalten der
chiralen Ordnung beschreiben, werden vorhergesagt.
So ist der konventionelle kritische Exponent durch
die Temperaturabhängigkeit der Untergittermagnetisierung
gegeben. Experimentell ergibt sich diese aus
der Summe I + + I - , die proportional zu 2 ist, wobei
= (T N
- T)/T N
die reduzierte Temperatur ist. Das
Differenzsignal ∆I ändert sich unterhalb der Ordnungstemperatur
proportional zu 2 mit dem neuen kritischen
Exponenten c
= 0,42 für CsMnBr 3
, was sehr gut mit
den theoretischen Vorhersagen übereinstimmt.
Ebenso können andere physikalische Größen, wie die
chirale Suszeptibilität oberhalb T N
, mit Hilfe der polarisierten
Neutronenstreuung – und auch nur mit dieser
– gemessen, die kritischen Exponenten bestimmt und
mit theoretischen Vorhersagen verglichen werden. Diese
Untersuchungen leisten einen wesentlichen Beitrag zum
besseren Verständnis der fundamentalen magnetischen
Wechselwirkungen in kondensierter Materie.
(Intensitätsdifferenz)
5
CsMnBr 3
1
I ~ 0.42 20
I +
I -
10
0
0,32
0,1
0,33 0,34
Q h
0,35
0,001 0,01
0,1 1
Streuintensität
Abb. 2.20. Temperaturabhängigkeit des
Unterschieds der Domänenpopulation
Δ = + - - mit = (
– )/
. Das Inset zeigt die Streuintensitäten
für die beiden Polarisationsrichtungen am
(1/3 1/3 1)-Bragg-Reflex.
Abb. 2.19. Die zwei
unterschiedlichen
chiralen Domänen
in einem antiferromagnetischen
Dreiecksgitter
am Beispiel
von CsMnBr 3
. Die
Drehrichtung der Mn-
Spins in den beiden
Teilbildern ist jeweils
entgegengesetzt.
28 Komplexität: Magnetische Phasen 29

Anregungskontinua und
Magnetisierungsplateaus in
Quantenmagneten
Für das Verhalten von Materialien, deren Magnetismus
auf niedrigen Spinwerten wie S=1/2 oder S=1
beruht, ist die Quantenmechanik entscheidend (sog.
„Quantenmagnete“). Solche Materialien, insbesondere
Materialien mit eingeschränkter Dimensionalität, bilden
bei tiefen Temperaturen Quantenphasen mit ungewöhnlicher,
komplexer Ordnung. Einfacher Ausgangspunkt
für das Verständnis einer Gruppe solch komplexer Phasen
ist die Bildung von „Dimer“ genannten Einheiten
aus zwei antiparallelen Spins (vergleichbar einem magnetischen
Molekül), ein typisches Quantenphänomen.
Wenn eine Gruppe von Spins 1/2 sich in Dimer-Einheiten
zusammenfi ndet, gelingt es ihr, den magnetischen
Charakter zu verbergen, denn ein endliches Magnetfeld
ist erforderlich, um die Bindungsenergie zu überwinden
und das Dimer aufzubrechen zu einer Konfi guration mit
endlicher Magnetisierung (s. Abb. 2.21).
Energie (meV)
Energie (meV)
120
100
80
60
40
20
0
0 0,25 0,5 0,75 1
20
15
10
1,4 1,5 1,6
Wellenvektor q Kette
(2A −1 )
S(Q,E) (willkürliche Einheiten)
S(Q,E) (willkürliche Einheiten)
Abb. 2.24. Spin 1 Einheiten aus zwei elementaren Spins
1/2 und Bildung eines Dimers aus zwei elementaren Spins
1/2 in benachbarten Spin 1 Einheiten (vollständige Bindung
zu Dimeren).
Abb. 2.21. Ein einfaches Dimer und seine Ausrichtung im
Magnetfeld.
Abb. 2.22. Anregungskontinuum im 1D-Antiferromagneten
KCuF 3
.
oben: Gesamter Energiebereich.
unten: Ausschnitt in der Umgebung des -Punktes.
Abb. 2.23. Magnetisierung von NH 4
CuCl 3
.
Abb. 2.25. Einheiten mit Spin 3 /2 aus drei elementaren
Spins 1 /2 und Bildung eines Dimers aus zwei elementaren
Spins 1 /2 in benachbarten Spin 3 /2 Einheiten (teilweise Bindung
zu Dimeren, die roten elementaren Spins 1 /2 bleiben
frei und sättigen zum 1 /3 Plateau).
Spinflüssigkeiten
Wenn nicht nur zwei Spins, wie in einem Dimer,
sondern makroskopisch viele Spins zu einem Singulett-Grundzustand
verschränkt sind, entstehen Quantenphasen,
die als Spinfl üssigkeiten bezeichnet werden.
Ein Beispiel für die komplexen Eigenschaften solcher
Spinfl üssigkeiten sind die elementaren Anregungen
einer S=1/2 Kette: Es existiert ein Anregungskontinuum
(s. Abb. 2.22), das auf der voneinander unabhängigen
Dynamik von zwei domänenwandartigen Einheiten
(Spinonen/Solitonen) beruht. Nur mit Neutronen lassen
sich solche Anregungsspektren vermessen.
Dimer-Materialien
Quantenphasen, die aus Spin- 1/2-Dimeren aufgebaut
sind, besitzen häufi g Magnetisierungsplateaus. Die für
das Material NH 4
CuCl 3
gemessene Magnetisierungskurve
(s. Abb. 2.23) ist dafür ein Beispiel: Im Bereich
eines Magnetisierungsplateaus bleibt die Magnetisierung
konstant, auch wenn das äußere Magnetfeld erhöht
wird. In diesem Fall bricht ein endliches Magnetfeld
nur eine Untergruppe von Dimeren auf und erzeugt so
eine teilweise magnetisierte Struktur. Das Plateau entsteht,
da die restlichen Dimere stabil bleiben, entweder
wegen einer höheren Bindungsenergie wie im quasi 1D-
Material NH 4
CuCl 3
oder weil eine zusätzliche Energie
erforderlich ist, direkt benachbarte Dimere aufzubrechen,
wie im quasi 2D-Material SrCu 2
(BO 3
) 2
.
Verbindungen mit höheren Spinwerten
Magnetisierungsplateaus in Verbindungen mit höheren
Spinwerten entstehen durch komplexere Bindungseffekte:
Magnetische Momente bei höheren Spinwerten können
verstanden werden als zusammengesetzt aus elementaren
Spins 1/2, wie es die blauen Kreise für Spin 1
in Abb. 2.24 (2 elementare Spins 1/2) und für Spin 3/2
in Abb. 2.25 (3 elementare Spins 1/2) veranschaulichen.
Die magnetische Ordnung solcher Materialien ist unterdrückt
oder reduziert, wenn alle oder einige elementare
Spins 1/2 in Dimeren gebunden sind und das Magnetfeld
zu schwach ist, sie aufzubrechen: In der S=1 Kette
(Abb. 2.24) verschwindet dann die Magnetisierung (Plateau
bei Magnetisierung Null), während in der S=3/2
Kette freie elementare Spins (rot in Abb. 2.25) verblei-
ben können, die in der Gegenwart eines Magnetfelds
sättigen und dann zu einem Magnetisierungsplateau bei
einem Drittel der Sättigungsmagnetisierung führen.
Zukünftige Entwicklungen
Auch im Zusammenhang mit Magnetisierungsplateaus
sind Anregungskontinua zu erwarten: Eine Ordnung
wie in Abb. 2.24 kann auch für Spins 1/2 und ohne
dimerartige Verschränkungen durch konkurrierende
Wechselwirkungen stabilisiert werden. Dies ist im Mineral
Azurit realisiert, das für äußere Felder zwischen
16 und 26 T ein Magnetisierungsplateau ausbildet. Der
so entstehende Zustand hat die dreifache Gitterperiode,
es sind drei Domänen möglich und damit Anregungskontinua
aus drei sich unabhängig voneinander bewegenden
Domänenwänden.
Messungen von räumlichen Korrelationen und von
Anregungen in Spinfl üssigkeiten und im Bereich
von Magnetisierungsplateaus sind nur mit Neutronen
möglich; solche Messungen liefern den wesentlichen
Beitrag zum mikroskopischen Verständnis dieser Quan-
tenphasen. Es ist zu erwarten, dass mit dem äußeren
Magnetfeld als einfach zugänglichem Parameter weitere
faszinierende Details von Quantenphasendiagrammen
offenbar werden, sobald für Neutronenstreumessungen
im Bereich von Magnetisierungsplateaus ausreichend
starke Magnetfelder zur Verfügung stehen. Besonders
interessante Phänomene treten auf, wenn magnetische
Momente an Leitungselektronen koppeln, z. B. unmagnetische
Grundzustände, Quantenphasenübergänge oder
magnetisch induzierte Supraleitung.
30 Komplexität: Quantenmagnete 31

a
b
Neutronenforschung an
komplexen Geosystemen: das
Beispiel Gesteinsverformung
und Gesteinsschmelzen an
Plattengrenzen
tierung aufgrund ihrer niedrigen Kristallsymmetrie
schwer zu messen ist, z. B. Feldspat, das häufi gste Mineral
der Erdkruste. Zum anderen läuft die Verformung
an Plattengrenzen in mehreren Verformungsschritten
ab, wobei jüngere Ereignisse die älteren Texturen überprägen.
Prozesse im System Erde werden von Parametern
gesteuert, die auf komplexe Weise miteinander gekoppelt
sind. Die Herausforderung für die modernen
Geowissenschaften besteht darin, diese Parameter und
ihre Kopplung zu verstehen. Neutronenforschung bietet
spezifi sche Vorteile für die Untersuchung komplexer
Systeme und wird dadurch zu einem starken Werkzeug
der Geowissenschaften, wie hier am Beispiel des
komplexen Geosystems Plattengrenze veranschaulicht
werden soll.
Volumenmessungen
Entscheidende Vorteile der Neutronen gegenüber
anderen Methoden zur Texturmessung an Gesteinen
sind ihre geringe Absorption durch Materie und ihre
relativ großen Strahlquerschnitte. Deshalb können echte
Volumenmessungen durchgeführt werden. Im Fall der
Untersuchung von Verformungsprozessen an Plattengrenzen
kann Neutronenbeugung vielfältig eingesetzt
werden. Herausforderungen an die Neutronenbeugung
sind hier besonders Texturanalysen
d
110 qtz 100 qtz 001 cal
Max
3.16 mrd
z
x
1 2 3 4 5 mrd
Max
3.87 mrd
MR2
z
x
Max
6.45 mrd
Abb. 2.26. Analyse komplexer tektonischer Strukturen in der
Monte Rosa-Decke mit Hilfe von Neutronenbeugung.
a: Stolemberg im Monte Rosa-Gebiet mit Deckengrenzen.
b: Dünnschliffbild deformierten Quarzgesteins von einer der
Deckengrenzen (Maßstab 50 µm).
c: Neutronen-Textur von Quarz aus der gleichen Probe; Orientierungsverteilungen
der kristallographischen Richtungen (100),
(110) und (001).
d: Interpretation der Faltung der Deckengrenzen aufgrund der
Texturuntersuchungen.
Hintergrund: Tektonische Übersicht des Gebietes.
z
x
c
Die Bewegung der Lithosphärenplatten
Plattengrenzen sind die Ränder der sich langsam bewegenden
tektonischen Platten, aus denen die Lithosphäre
der Erde aufgebaut ist. Prozesse an Plattengrenzen
haben hohe gesellschaftliche Relevanz, einerseits durch
ihr Naturgefahren-Potential, da sie für die meisten Erdbeben
und Vulkanausbrüche verantwortlich sind, andererseits
durch Rohstoffe, wie etwa Erze und Erdöl, die
häufi g an Plattengrenzen gebunden sind. Plattengrenzen,
an denen Ozean-Lithosphären subduziert wurden
und später Kontinente kollidiert sind, lassen sich in den
Alpen und anderen Hochgebirgen der Erde studieren.
Durch die Abtragung sind dort tiefe Stockwerke der
Plattengrenze zugänglich, so dass die Verformungsvorgänge
in der Tiefe, die das Geschehen an der Oberfl ä-
che steuern, studiert werden können. Bei den Druckund
Temperaturbedingungen, die hier geherrscht haben,
verläuft die Verformung, die in fl acheren Stockwerken
zu Erdbeben führt, als bruchloser Fließvorgang im
festen Zustand. Dabei erfahren die Mineralkörner, die
das Gestein aufbauen, eine Regelung, die zur kristallographischen
Vorzugsorientierung (Textur) führt. Die
Messung der Textur ermöglicht die Rekonstruktion der
früheren Bewegungen, d. h. Bewegungsrichtung, Schersinn,
Verformungsgeometrie sowie die Geschwindigkeit
und Temperatur der Verformung (s. Abb. 2.26).
Verformung von Gesteinen
Die Verformung von Gesteinen ist bisher nur in einfachen
Modellsystemen verstanden worden, etwa für
Gesteine, die nur aus einem - möglichst einfach zu
untersuchenden - Mineral aufgebaut sind und bei einer
einfachen Verformungsgeometrie. In der Realität werden
jedoch Gesteine verformt, die meist aus mehreren
Mineralarten bestehen, darunter solche, deren Orien-
• an Gesteinen aus mehreren Mineralphasen und in
Gesteinen aus niedrigsymmetrischen Mineralen
(Ermittlung möglichst vieler Polfi guren; Trennung
überlagerter Reflexe mittels mathematischer Peak-
Profilanalyse).
• an mehrfach verformten Gesteinen. Auf diesem Feld
ist noch extrem wenig geforscht worden, hier sind
große Fortschritte möglich (Kombination von Neutronenbeugung
mit Kornformanalyse).
• an experimentell verformten Gesteinen. Texturentwicklung
bei Gesteinsverformungen unter kontrollierten
Bedingungen ist bisher kaum untersucht. Bei
Torsionsversuchen sind homogen verformte Probenbereiche
sehr klein. Hier liegt eine weitere Herausforderung
(Messung kleiner Probenbereiche; Messungen
gekapselter Proben).
Schmelzen
Plattenränder sind Zonen mit erhöhtem Vulkanismus,
d. h. Quellen für den mehr oder minder heftigen Austritt
silikatischer Schmelzen aus dem Erdinneren. Die
Eigenschaften dieser Schmelzen hängen sensitiv vom
Gehalt an fl uider Phase (Wasser) ab. Da Neutronen
besonders stark von H-Atomen gestreut werden, lassen
sich Verteilungen solcher Schmelzen (im Gestein) oder
Strukturen von „Modell“-Schmelzen mittels Neutronenradiographie
und Neutronbeugungsmethoden gut
untersuchen.
32 Komplexität: Geosysteme 33

Korrelationen
Kondensierte Materie besteht aus vielen Teilkomponenten,
die auf verschiedenen Längen- und Zeitskalen
miteinander in Wechselbeziehung treten. Diese Korrelationen
sind letztendlich verantwortlich für das
Zustandekommen der unzähligen Phänomene, die die
kondensierte Materie auszeichnen. Neutronenstreuung
zeichnet sich unter der Vielfalt der Methoden darin aus,
dass sie direkt diese Korrelationen misst (der Neutronenstreuquerschnitt
ist direkt proportional zu den raumzeitlichen
Korrelationsfunktionen) und zwar auf allen
relevanten Längen- und Zeitskalen!
Typische grundlegende Fragestellungen,
die es hier zu beantworten gilt, sind:
• Wie können wir die vielskaligen Prozesse in fehlgeordneten
oder amorphen Systemen - etwa den Glasübergang
- beschreiben
• Welche anderen Überraschungen halten die korrelierten
Elektronensysteme noch für uns bereit, neben
den Quanteneffekten der Supraleitung, des kolossalen
Magnetowiderstands, der Magnetoelektrizität oder
Quantenphasenübergängen
• Können wir quantenmechanische Größen wie
Elektronenspins und ihre Korrelationen so gezielt
beeinfl ussen, dass wir Informationstransport, Infor-
mationsspeicherung und Informationsverarbeitung
realisieren können Kann die quantenmechanische
Verschränkung zwischen Spinzuständen für die Realisierung
eines Quantencomputers genutzt werden
Stark korrelierte Elektronen
Eine der großen Herausforderungen der modernen
Festkörperforschung ist das Verständnis von starken
elektronischen Korrelationen. Gerade auch für Anwendungen
wichtige Phänomene können nicht innerhalb
des „Standardmodells“ der Festkörperphysik erklärt
werden. Die Festkörperforscher durchleben eine sehr
aufregende Zeit, in der ständig neue Effekte entdeckt
werden, die aufgrund von elektronischen Korrelationen
zustande kommen. Diese Effekte lassen sich mit
unserem einfachen Bild vom „Fermisee“ der Elektronen
nicht beschreiben, geschweige denn vorhersagen.
Beispiele hierfür sind:
• Supraleitung mit höchsten kritischen Temperaturen
(z. B. in YBa 2
Cu 3
O 7
); prinzipiell nutzbar etwa zum
verlustfreien Stromtransport und zur Erzeugung hoher
Magnetfelder.
• Multiferroischer Effekt (z. B. in HoMnO 3
) mit ungewöhnlich
starker gegenseitiger Beeinfl ussung
zwischen Ferromagnetismus und ferroelektrischer
Polarisation; Anwendungsperspektiven liegen z. B. im
Bereich der magnetischen Datenspeicherung, beim
Schalten einzelner Bits durch elektrische Felder.
• Magnetokalorischer Effekt (beobachtet z. B. in
MnFeP 0.45
As 0.55
oder Gd 5
Ge 2
Si 2
), d. h. starke Temperaturänderung
im äußeren Magnetfeld mit möglichen
Anwendungen bei der hocheffi zienten, treibhausgasfreien
magnetischen Kühlung.
• Kolossaler Magnetowiderstandseffekt
(z. B. in La 1-x
Ca x
MnO 3
), d. h. starke Magnetfeldabhängigkeit
des elektrischen Widerstands; nutzbar einerseits
zur Detektion magnetischer Felder (Sensorik),
andererseits etwa zur magnetischen Datenspeicherung
in sogenannten MRAMS (Magnetoelektronik).
Empfindliches Gleichgewicht
Für die komplexen Metalloxide ist das Zusammenspiel
zwischen den wechselwirkenden Spin-, Orbital-,
Ladungs- und Gitterfreiheitsgraden charakteristisch.
Schon eine kleine äußere Störung über elektrische oder
magnetische Felder, Drücke, mechanische Spannungen,
Temperatur etc. kann dieses empfi ndliche Gleichgewicht
stören und zu einer großen makroskopischen
Antwort des Systems führen, die z. B. für Sensorik oder
Magnetoelektronik genutzt werden kann.
Harte Nuss
Die geistige Herausforderung, die das Verständnis dieser
Phänomene stellt, wird deutlich, wenn man bedenkt,
dass fast zwei Jahrzehnte nach der Entdeckung der
Hochtemperatursupraleitung der Mechanismus dieses
Phänomens, trotz intensivster Forschung von Tausenden
von Wissenschaftlern weltweit, noch im Dunkeln
liegt. Auch die Neutronenstreuung hat diese Nuss noch
nicht geknackt. Sie hat jedoch harte quantitative experimentelle
Fakten zu mikroskopischen Korrelationen
und Fluktuationen von Gitter- und Spinfreiheitsgraden
geliefert, an denen keine Theorie vorbeikommt und
die schwerlich mit anderen Methoden zugänglich sind.
Beispiele hierfür sind:
• die Bestimmung von struktureller Ordnung und
Fehlordnung: Die erste korrekte Strukturbestimmung
an Hoch-T C
Materialien wie YBa 2
Cu 3
O 7
gelang
mit Neutronenpulverdiffraktion. Die Cu-O-Ebenen
wurden als das strukturelle Element identifi ziert, in
dem der Ladungstransport stattfi ndet, eine essentielle
Information für jede Modellierung. Im Vergleich
zur Röntgenstrahlung sind Neutronen wesentlich
empfi ndlicher auf die Position der relativ leichten
Sauerstoffatome und können daher nicht nur die
mittlere Struktur, sondern auch die Sauerstoffnahordnung
bestimmen. Diese Information ist wichtig,
um den Mechanismus der Ladungsdotierung der
Äußere
Felder /
Parameter
H
EµTPd
Hohe Empfindlichkeit
Ladung
Gitter
wechselwirkende
Freiheitsgrade
Spin
Orbital
Komplexes kollektives
Verhalten / neue
Grundzustände
Ladungsordnung
orbitale Ordnung
Spinordnung
Jahn-Teller Verzerrung
Spin-Peierls Übergang
Metall-Isolator Übergang
Cooper Paare
Orbital-/Spin-Flüssigkeit
Neue Funktionalitäten
Kolossaler Magnetowiderstand,
Hochtemperatursupraleitung
negative thermische
Ausdehnung
Kristallstruktur
Phononen und Streifenordnung
k (r.l.u.)
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
Magnetische
Anregungen
E=75 meV
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
h (r.l.u.)
Abb 2.27. Schematische Darstellung des empfindlichen Gleichgewichts zwischen verschiedenen Freiheitsgraden in
korrelierten Elektronensystemen. Unter der Einwirkung äußerer Parameter werden vielfältige Quantenzustände und Funktionalitäten
realisiert.
Abb 2.28. Beispiele für wichtige Beiträge der Neutronenstreuung auf dem Gebiet der Hochtemperatursupraleitung.
34 Korrelationen: korr. Elektronen 35

Cu-O-Ebenen zu verstehen, die wiederum direkt mit
der Supraleitung verknüpft ist.
• die Bestimmung von magnetischer Ordnung und
Fehlordnung als Funktion der Dotierung: In allen
Hoch-T C
-Materialien gibt es abhängig von der
Dotierung eine Konkurrenz zwischen magnetischer
Ordnung und Supraleitung, die nahe legt, dass beide
Phänomene direkt verknüpft sind.
• die Bestimmung der Phononendispersion: Während
die konventionelle BCS-Theorie zur Erklärung des
Phänomens der Hoch-T C
-Supraleitung ausgeschlossen
werden kann, geben Anomalien im Phononenspektrum
Hinweise auf die Bedeutung von Gitterschwingungen.
• die Vermessung der Magnonendispersion: Damit
lassen sich magnetische Kopplungen in den Cu-O-
Ebenen bestimmen, die wichtige Parameter sind für
alle Modelle, die von magnetischen Kopplungsmechanismen
ausgehen.
• die Entdeckung von statischer und dynamischer Streifenordnung:
Neutronenstreuung hat die nanoskalige
Separation von Ladungen und Spinordnung im Sinne
eines Selbstorganisationsprozesses nachgewiesen.
Neuere Experimente suggerieren, dass diese so
genannte Streifenordnung in Form dynamischer Fluktuationen
auch in der supraleitenden Phase auftritt
und haben zu Modellen Anlass gegeben, die diese
dynamische Streifenordnung mit dem Mechanismus
der Supraleitung verbinden.
• die Entdeckung von magnetischen Fluktuationen
im supraleitenden Zustand, die Hinweise für einen
magnetischen Kopplungsmechanismus geben können.
Ordnungsparameter
Diese Erfolgsgeschichte der Neutronen setzt sich bei
den dotierten Manganat-Perovskiten fort, die zusätzlich
orbitale Ordnung zeigen (Abb. 2.29). Neutronen
sind direkt oder indirekt auf alle relevanten Ordnungsparameter
empfi ndlich, wodurch die komplexen
Übergangsmetalloxide ein außergewöhnliches Labor
im Nanomaßstab werden und uns einen Zugang zum
Verständnis der elektronischen Korrelationen bieten.
z
O 2-
Mn 4+
Mn 3+
Abb 2.29. Orbitales Polaron als Beispiel für eine lokale
Ladungs- und Orbitalordnung in dotierten Manganaten.
x
y
Quantendynamik in Spin-Eis
Die Seltenerd-Verbindungen Holmium-Titan-Oxid und
Dysprosium-Titan-Oxid (chemische Zusammensetzung
Ho 2
Ti 2
O 7
und Dy 2
Ti 2
O 7
) haben aufgrund außergewöhnlicher
Eigenschaften, die bei tiefen Temperaturen
zutage treten, in den letzten Jahren einige Berühmtheit
erlangt. Diese Verbindungen werden einer Klasse von
Substanzen zugerechnet, die als „topologisch frustrierte
Magnete“ bezeichnet werden. Das sind Stoffe, bei
denen einige Atome magnetische Momente besitzen
(in diesem Falle Holmium oder Dysprosium), deren
Wechselwirkungen aber durch ihre räumliche Anordnung
(die durch die kristalline Struktur bedingt ist)
beeinträchtigt werden. Da die magnetischen Wechselwirkungen
nicht „in der gewohnten Weise“ wirken,
entstehen hochkomplizierte und komplexe Situationen,
in denen die Eigenschaften der Materialien sehr leicht
durch äußere Parameter verändert werden können oder
gänzlich durch andere Faktoren bedingt werden, die
normalerweise eine untergeordnete Rolle spielen.
Nicht ergodisch bei tiefer Temperatur
Im vorliegenden Fall wurde man aufmerksam, nachdem
die spezifi sche Wärme zwischen T=0,2 K und T=10 K
gemessen und die Entropiedifferenz zwischen beiden
Temperaturen bestimmt worden war. Es zeigte sich,
dass diese Differenz nur 71 % des erwarteten Wertes
betrug. Der Grund dafür ist derselbe wie in Wasser-Eis
(daher der Name Spin-Eis), wo dieser Effekt historisch
zuerst beobachtet wurde, und lässt sich mit einer
direkten räumlichen Analogie zwischen beiden Stoffen
anschaulich machen. Der Grundzustand bei tiefer Temperatur
ist nicht eindeutig, sondern besitzt eine makroskopische
Vielfalt der Größenordnung (3/2) N/2 , wobei N
die Zahl der Atome in der Probe ist (≈ 10
23 ). Mit den
Worten der Thermodynamik gesagt: beide Stoffe sind
bei tiefer Temperatur nicht ergodisch.
Die Rolle der Neutronen
Was trägt die Neutronenstreuung zu unserem Wissen
über Spin-Eis bei Man gewinnt ein direktes Abbild
der Anordnung der Atome und magnetischen Momente
auf mikroskopischer Skala und kann den Nachweis
der o. g. Thesen direkt führen (Abb. 2.30). In diesem
Falle bedeutet das, dass die magnetischen Momente bei
tiefer Temperatur keine regelmäßige langreichweitige
Ordnung eingehen, wie man eigentlich erwarten würde
(und was einem eindeutigen Grundzustand entsprechen
würde), sondern in einem chaotischen ungeordneten
Muster einfrieren. Neutronenstreuung zeigt auch, wie
der „Gefrierprozess“ mikroskopisch abläuft, wenn man
die Probe abkühlt. Es zeigt sich, dass hier dynamische
Tunnelprozesse auftreten, die rein quantentheoretischer
Natur sind, jedoch bereits bei viel höherer Temperatur
einsetzen als in anderen vergleichbaren Fällen.
Neben den Cuprat-Hochtemperatursupraleitern gibt es
viele andere Supraleiter, die nicht mit der BCS-Theorie
der Elektron-Phonon-Kopplung verstanden werden
können und bei denen man ein Wechselspiel zwischen
Magnetismus und Supraleitung beobachtet, etwa
CeCu 2
Si 2
oder Sr 2
RuO 4
. Auch hier sind Neutronenstreuexperimente
zu magnetischen Anregungen ein Schlüssel
zum Verständnis des supraleitenden Paarungsmechanismus.
Abb 2.30. Schematische Darstellung der kubischen
Elementarzelle von Spin-Eis bei tiefer Temperatur (im gefrorenen
Zustand). Die Abbildung stellt die tetraedrische
Koordination der nächsten SE-Nachbarn und eine mögliche
Anordnung der magnetischen Momente (in jedem
Tetraeder ist die Vektorsumme Null) dar. In benachbarten
Elementarzellen haben die magnetischen Momente dieselben
Positionen, sie sind aber anders ausgerichtet.
36 Korrelationen: Spin-Eis 37

Der Orientierung von Wassermolekülen
auf der Spur
Wasser und Eis sind allgegenwärtige Erscheinungen.
Es muss daher erstaunlich erscheinen, dass es sich
bei Wasser und Eis um wissenschaftlich noch relativ
unverstandene Systeme handelt. Die Orientierung der
Wassermoleküle zueinander ist auf Grund der Wasserstoffbrückenbindungen
stark korreliert. Diese komplexe
Korrelation führt zu großer struktureller Vielfalt
Das Phasendiagramm von Eis ist mit einer Vielzahl
von kristallinen Phasen übersät. Der letzte Eintrag ins
Stammbuch lautet Eis XII (Abb. 2.31). Eis XII tritt
gleich an zwei nicht überlappenden Stellen im Phasendiagramm
auf. Die Entdeckung von Eis XII ist in
beiden Fällen eine Leistung der elastischen Neutronenstreuung.
In der Natur tritt Eis oft auch in nicht geordneter Form
auf. Dies gilt insbesondere für Eis an Oberfl ächen oder
in Poren. Ungeordnetes Eis kann aber auch im Volumen
erzeugt werden. Zwei prominente Beispiele dafür sind
das durch Aufdampfen von Wasserdampf produzierte
niedrigdichte sowie das durch Kompression von normalem
Eis erzeugte hochdichte amorphe Eis (Abb. 2.32).
Eis im Weltraum liegt zu einem wesentlichen Teil in
amorpher Form vor. Der Neutronenstreuung kommt bei
der Bestimmung der Anordnung sowie Dynamik der
Moleküle in amorphen Eisformen eine exklusive Rolle
zu (Abb. 2.33). In jüngster Zeit konnten dabei insbesondere
Umwandlungen von amorphen Zuständen detailliert
charakterisiert werden. Eine Reihe theoretischer
Abb 2.31. Das Wasserstoffbrückennetzwerk von Eis XII
entlang der c-Achse. Die Entdeckung von Eis XII gelang
mit Hilfe der Neutronendiffraktion.
Ansätze sowie experimenteller Schlussfolgerungen
wurde dabei als unzureichend identifi ziert. Neben ihrer
Bedeutung für das grundlegende Verständnis ungeordneter
Festkörper spielen diese Erkenntnisse beim
Studium von Wasser in der Biologie und in den Geowissenschaften
eine wichtige Rolle.
Abb 2.32. Hochdichtes amorphes Eis HDA bei der Umwandlung
in die niederdichte Modifikation LDA. Die starke
Volumenausdehnung (ca. 15 %) führt zum Aufflocken.
I(Q) [norm.]
3
2
1
0
0,4
0,3
0,2
0,1
0
0,3 0,4 0,5 0,6 -0,1
vHDA
HDA'
LDA'
HDA
G() [willk. Einheiten]
0 1 2 0 5
10 15 20
Q [Å -1 ]
h [meV]
Abb 2.33. Elastische (links) und inelastische (rechts) Streuintensität von verschiedenen amorphen Eismodifikationen. Die
Gesamtheit der Neutronendaten lässt eine nahezu vollständige und einzigartige Charakterisierung auf atomarer Ebene zu.
38 Korrelationen: Wassermoleküle 39

Eingeschränkte Dimensionalität
Die moderne Materialpräparation kann gezielt Nanoteilchen
und geordnete Nanostrukturen in 1, 2 und 3
Dimensionen herstellen, sei dies durch gezielte Materialmodifikation
mit physikalischen Verfahren wie
Epitaxie oder Lithographie („top-down“) oder durch
Selbstorganisation („bottom-up“). Die sich entwickelnde
Nanotechnologie ist dabei, unsere Welt zu revolutionieren.
Beispiele sind Kohlenstoff-Nanoröhrchen als
Strukturmaterialien oder als elektrische Leiter, die ungewöhnlich
hohe Stromdichten tragen können. Magnetische
Nanostrukturen fi nden Verwendung als nichtfl üchtige
Datenspeicher oder allgemeiner als Bauelemente
der „Spintronik“. Darunter versteht man Informationsspeicherung,
Informationstransport und Informationsverarbeitung,
basierend auf dem Elektronenspin statt
der Elektronenladung. Im Vergleich zu herkömmlichen
elektronischen Bauelementen haben Spintronik-Elemente
erhebliches Verbesserungspotential hinsichtlich
Schnelligkeit, Miniaturisierbarkeit, Leistungsverbrauch
und langfristig dem möglichen Einsatz in Quantencomputern.
Nanomaterialien
Die Eigenschaften von Nanomaterialien unterscheiden
sich grundsätzlich von denen des Volumenmaterials
und sind durch die freien Ober- und Grenzflächen bzw.
die enge Nachbarschaftsbeziehung zu angrenzenden
Materialien bestimmt. Mit einem Verständnis der
grundlegenden Effekte können gezielt künstliche Materialien
mit ganz bestimmten, gewünschten Eigenschaften
hergestellt werden. Ein Beispiel ist der Riesenmagn
etowiderstandseffekt GMR, der in gekoppelten metallischen
Schichtstrukturen auftritt. Dieser Effekt, der
bei neugiergetriebener Grundlagenforschung gefunden
wurde, hat innerhalb von nur 10 Jahren die Datenspeicherung
revolutioniert: alle Leseköpfe der Laufwerke
heutiger Computer nutzen den GMR-Effekt!
Offene Fragen sind zum Beispiel:
• Welches sind die elektronischen, magnetischen und
mechanischen Eigenschaften von Nanosystemen
aus vielen Komponenten, und wie können wir diese
Eigenschaften vorhersagen
• Können wir die Quantenzustände niederdimensionaler
magnetischer Systeme verstehen
• Welche neuartigen Phänomene resultieren aus der
direkten Nachbarschaft verschiedener Materialien
(„Proximity Effect“)
• Welchen Einblick können wir in die Funktion biologischer
Membranen erhalten Wie wird z. B. der
selektive Stofftransport durch eine solche Membran
realisiert
• Wie können katalytische Prozesse an Oberflächen
und Nanopartikeln systematisch optimiert werden
• Wie verändert sich das Verhalten von Flüssigkeiten in
Nanoporen und Nanokanälen
Neutronen als Spione in der Nanowelt sind hervorragend
geeignet, strukturelle und magnetische Ordnung
und Wechselwirkungen in Nanostrukturen zu bestimmen,
z. B. durch Streuung unter streifendem Einfall.
Magnetismus von dünnen Schichten und
Nanostrukturen
Fortschrittliche magnetische Materialien mit maßgeschneiderten
Eigenschaften bestehen aus Nanostrukturen,
die auf atomarem Maßstab gezielt aus ferromagnetischen,
antiferromagnetischen und nichtmagnetischen
Bestandteilen aufgebaut sind. Die Entwicklung dieser
Materialien wird getrieben durch die zahlreichen Anwendungen
in der modernen Informationstechnologie
und der Forderung nach immer kleineren magnetischen
Elementen zur Speicherung oder Verarbeitung von
Information. Bezüglich der Grundlagenforschung verursacht
der für Nanostrukturen charakteristische große
Anteil von Ober- und Grenzflächen neue und faszinierende
Phänomene im Magnetismus, die eine Herausforderung
für unser grundlegendes Verständnis darstellen.
Experimente mit polarisierten Neutronen gestatten uns
einzigartige Einblicke in solche Nanostrukturen und
tragen entscheidend zum besseren Verständnis des Magnetismus
auf der Nanometerskala bei (s. Abb. 2.34).
Magnetische Dünnschichtsysteme
In den Neunziger Jahren des letzten Jahrhunderts wurden
an magnetischen Vielfachschichten einige Phänomene
entdeckt, die innerhalb weniger Jahre die Informationstechnologie
revolutionierten und die Grundlage
legten für das neue Gebiet der „Spintronik“. Dazu
gehören die Kopplung ferromagnetischer Lagen durch
nichtmagnetische Zwischenschichten („Zwischenschichtkopplung“),
die starke Änderung des elektrischen
Widerstands im externen Magnetfeld („Riesenma
gnetowiderstandseffekt“) und die gegenseitige magnetische
Beeinflussung benachbarter Schichten („Proximity
Effekte“). Als aktuelles Beispiel sei der so genannte
„Exchange Bias Effekt“ vorgestellt. Es handelt sich
dabei um eine Anisotropie, die genau eine Richtung
auszeichnet und die in einer ferromagnetischen Schicht
durch quantenmechanische Austauschkopplung an eine
antiferromagnetische Schicht induziert wird. Dadurch
kommt eine Vorzugsrichtung der Magnetisierung
zustande, die viele Anwendungen von Dünnschicht-
systemen in der Sensorik erst ermöglicht hat. Solche
Sensoren bestehen aus mehreren Lagen verschiedener
magnetischer Materialien. Leistungsfähige Untersuchungsmethoden
sollten es gestatten, die magnetischen
Eigenschaften tiefenaufgelöst bestimmen zu können.
Die Streuung polarisierter Neutronen unter streifendem
Einfall hat einen entscheidenden Vorteil vor vielen
anderen Methoden: sie erlaubt es, sowohl den Wert als
auch die Richtung der mittleren Magnetisierung aller
Schichten eines solchen Stapels einzeln zu bestimmen
und darüber hinaus lokale Abweichungen von dem
Mittelwert tiefenaufgelöst zu beobachten. Damit kann
etwa ein Ummagnetisierungsprozess beim Richtungswechsel
des äußeren Felds im Detail verfolgt werden.
Bei den „Exchange Bias“-Systemen wird in einigen
Fällen Domänenbildung und Domänenwachstum beobachtet,
in anderen Fällen eine kohärente Drehung der
Gesamtmagnetisierung. Mit Hilfe von systematischen
Neutronenreflektometrie-Untersuchungen konnte ein
detailliertes Verständnis erzielt werden, das es gestattet,
Vorhersagen über den Ummagnetisierungsprozess zu
machen, um damit Schaltzeiten und Reproduzierbarkeit
zu verbessern.
f
[mrad]
f
[mrad]
80
60
40
20
0
80
60
40
20
0
I++
0 20 40 60 80
0 20 40 60 80
i
[mrad ]
80
60
40
20
0
80
60
40
20
0
I− −
0 20 40 60 80
I+− I− +
Lateral strukturierte Schichtsysteme
und Nanostrukturen
Während magnetische Dünnschichtsysteme nur entlang
einer Richtung nanostrukturiert sind, können durch
lithographische Verfahren oder durch Selbstorganisation
zwei- und dreidimensionale reguläre Anordnungen
von magnetischen Nanopartikeln erzeugt werden. Diese
Systeme finden Anwendung in der magnetischen Datenspeicherung
und lassen neue Effekte aufgrund zusätzlicher
Quantisierungsbedingungen erwarten. Bisher existieren
keine wirklich leistungsfähigen Messmethoden,
um so wichtige Informationen wie die Verteilung der
Magnetisierung innerhalb der einzelnen Nanopartikel
oder die magnetischen Korrelationen zwischen den
Partikeln experimentell zugänglich zu machen. Das Potential
der Neutronenstreuung konnte durch Kleinwinkelstreuung
an Ferrofl uiden magnetischer Nanopartikel
bereits eindrucksvoll aufgezeigt werden (s. Abb. 2.35).
Zurzeit wird an verschiedenen Stellen eine neue Technik,
die Kleinwinkelstreuung polarisierter Neutronen
unter streifendem Einfall, entwickelt. Es zeichnet sich
ab, dass mit dieser Methode ein Durchbruch bei der
experimentellen Untersuchung von geordneten zweidimensionalen
Nanostrukturen auf der Subnanometerskala
erzielt werden wird (s. Abb. 2.34).
0 20 40 60 80
i
[mrad ]
Abb. 2.34. Neutronenstreuung
unter streifendem Einfall an einem
polykristallinen magnetischen
Vielschichtsystem. Gezeigt ist die
Streuung in allen vier Polarisationskanälen
als Funktion von Einfalls-
(
) und Ausfallswinkel (
). Die
Intensität auf den Diagonalen gibt
Information über die mittlere Magnetisierung
der Schichten, während
die diffuse Streuung neben den
Diagonalen Information über Domänenstrukturen
liefert. In jedem
Teilbild sind experimentelle Daten
(links oberhalb der Diagonalen) mit
der Theorie (rechts unterhalb der
Diagonalen) verglichen.
Eingeschränkte Dimensionalität:
40 41
Nanomagnetismus

I(+)
I(+)+I(-)
X
I(-)
I(+)-I(-)
Methode der Wahl
Neutronenstreuung ist die Methode der Wahl – ja oft
sogar konkurrenzlos die einzige Methode – um atomarmikroskopische
Information über den Magnetismus
dieser Verbindungen zu erhalten, die direkt mit ab-initio
Rechnungen verglichen werden kann. Ursprünglich
liegen die Substanzen oft in polykristalliner Form vor.
Dann erlaubt nur die Neutronenstreuung eine magnetische
Strukturbestimmung, die Grundlage jeder weiteren
Untersuchung ist (s. Abb. 2.36). Bei rein organischen
Molekülen erhebt sich die ganz grundsätzliche Frage,
wo die ungepaarten Elektronen lokalisiert sind. Nur mit
der Streuung polarisierter Neutronen kann diese Frage
quantitativ beantwortet werden, indem die Spindichteverteilung
bestimmt wird (s. Abb. 2.37).
Abb 2.37. Strukturformel
und projizierte
Spindichteverteilung
eines rein organischen
molekularen Magneten.
Å-Konturlinien
X
Abb 2.35. Kleinwinkelstreuung polarisierter Neutronen
an Ferrofluiden aus Co-Nanoteilchen (oben: Polarisation
parallel und antiparallel zum horizontalen Magnetfeld;
unten: Intensitätsverteilung im unpolarisierten Strahl und
Interferenzterm aus Kern- und magnetischer Streuung).
Die scharfen Reflexe belegen eine hexagonale Nahordnung
der Co-Teilchen.
Molekularer Magnetismus
Die Bezeichnung „Molekularer Magnetismus“ steht für
ein neues interdisziplinäres Forschungsgebiet, bei dem
Methoden der molekularen Chemie genutzt werden,
um neue Klassen von magnetischen Materialien zu
entwickeln und zu synthetisieren. Dabei kann es sich
um rein organische Materialien handeln, die Bindungen
mit ungepaarten Elektronen enthalten, oder um
metall-organische Komplexverbindungen, bei denen
organische Liganden effektive Austauschpfade für
Übergangsmetallionen bereitstellen. Der Reiz dieser
neuen Klasse magnetischer Materialien liegt darin, dass
es die moderne Chemie gestattet, aus völlig identischen
molekularen Bausteinen Materialien mit verschiedenen
Topologien herzustellen, von nulldimensionalen
Objekten, etwa Dimeren, über eindimensionale Ketten
bis hin zu zwei- und dreidimensionalen Netzwerken.
Laut einer VDI-Studie zur Technologiefrüherkennung
aus dem Jahr 1999 haben diese neuen Werkstoffe aus
dem Grenzbereich von Festkörperphysik und supramolekularer
Chemie ein enormes Anwendungspotential.
So könnten etwa in Zukunft Austausch-gekoppelte
zweidimensionale Netzwerke molekularer Magnete auf
Substraten in der Quanteninformationsverarbeitung
eine wesentliche Rolle spielen.
Fe 4,4’-bpy N 3
c
a
a
a
F
= 0,7
Abb 2.36. Kristall und Magnet- Struktur eines chiralen
molekularen Magneten Fe(N 3
) 2
(4,4’-bpy), der eine ausgeprägte
Kantung der magnetischen Momente aufweist.
B
Schließlich lassen sich mit inelastischer Neutronenspektroskopie
die Wechselwirkungsparameter (Anisotropie,
Austausch) absolut bestimmen. Damit legt die
Neutronenstreuung die Grundlage für ein detailliertes
mikroskopisches Verständnis dieser aufregenden Materialklasse
und kann den Weg zu möglichen Anwendungen
ebnen.
Molekülstruktur Anregungsspektren Energieschema
Neutroneninstensität
0,4
0,2
-5
2,10 1 cm 3,10-5 cm 1
-5
4,10 cm 1
0,0
-0,5 0,0 0,5
0,0
-0,5 0,0
0,0
0,5 -0,5 0,0 0,5
1,0
0,5
T=23,8K
0,4
0,2
4
-5
B 3,10 cm -1
4 = h (meV)
0,0
-1,4 -1,0 -0,6 -0,2 0,2 0,6 1,0 1,4
Abb 2.38. Beispiel für die Bestimmung von Wechselwirkungsparametern mit Hilfe von inelastischer Neutronenstreuung
am Mn 12
-Acetat.
0,4
0,2
Energie
M-Werte
Eingeschränkte Dimensionalität:
42 43
Molekularer Magnetismus

Blick in das Innere von Nanoröhren
Die Entdeckung, dass Kohlenstoffatome unter geeigneten
Bedingungen durch Selbstorganisation eine Vielzahl
höchst komplexer Strukturen ausbilden, kann als
Ursprung der modernen Nanowissenschaften angesehen
werden. Das wohl bekannteste Kohlenstoffmolekül ist
das Fulleren C 60
(s. Abb. 2.39). C 60
hat die Form eines
miniaturisierten Fußballs mit nur einem Nanometer
Durchmesser. Neben C 60
haben vor allem Kohlenstoffnanoröhren
besonderes Interesse ausgelöst. Sie besitzen
ganz außergewöhnliche mechanische und elektronische
Eigenschaften. Mögliche Anwendungen reichen
von hochfesten Werkstoffen bis zu Flachbildschirmen.
Neutronenstreuung ist für die Charakterisierung von
Nanoröhren eine hervorragend geeignete Sonde. Diffraktion
und Spektroskopie erlauben es, die Strukturen
und Bewegungen von Fullerenen und Nanoröhren bis
ins Detail und unter verschiedensten Bedingungen zu
studieren. Ein besonders schönes Beispiel sind Peapods.
Führt man C 60
-Moleküle in die Nanoröhren ein, so reihen
sie sich wie Erbsenkörner auf. Mit der Neutronenstreuung
ist es möglich, die Bewegung der C 60
-Moleküle
und damit ihr Bindungsverhalten in den Röhren zu
beobachten (s. Abb. 2.40). Im Gegensatz zu Laserlicht,
das bei der Ramanstreuung verwendet wird und zur Polymerisierung
der C 60
-Moleküle führen kann, greift der
Neutronenbeschuss nicht störend in das System ein. Die
genaue Kenntnis des Bindungsverhaltens ist unabdingbar
für die Voraussage physikalischer Eigenschaften,
wie z. B. möglicher Supraleitung, und damit technischer
Anwendungen.
Abb 2.39. Geometrie einer typischen Kohlenstoffnanoröhre
(links hinten) im Vergleich zu den mit C 60
gefüllten
Peapods (rechts). Neutrondiffraktion und Neutronenspektroskopie
geben Aufschluss über die Position und
Bewegung der konstituierenden Atome. Vorne links:
Kristallstruktur der C 60
-Moleküle.
GDOS (willkürliche Einheiten)
0 50 100 150
E (meV)
Abb 2.40. Verteilung der Schwingungsmoden für
(a: oben) Peadpods, d.h. mit C 60
-Molekülen gefüllte Nanoröhren
(a: Mitte) leere Nanoröhren
(a: unten) Anteil der eingeschlossenen C 60
-Moleküle.
(b) Berechnetes Spektrum für isolierte Moleküle
Beispiele für heterogene Katalyse mit
Neutronen
Eine Vielzahl chemischer Prozesse beruht auf katalytischen
Umsetzungen. Heterogene Katalyse, bei der Katalysator
und Reaktanden in unterschiedlichen Aggregatzuständen
vorliegen, wurde verschiedentlich durch
Neutronenstreuung untersucht. Im Folgenden sollen drei
Beispiele für den erfolgreichen Einsatz von Neutronen
vorgestellt werden:
Umsatz organischer Moleküle in den
Hohlräumen von Zeolithen
Zeolithe sind Alumosilikate, die eine Gerüststruktur
mit Hohlräumen aufweisen, die eine Einlagerung von
organischen Molekülen erlauben. Großtechnisch eingesetzt
werden synthetische Zeolithmaterialien in der
Erdölchemie für Crackprozesse langkettiger Kohlenwasserstoffe.
Auch für Feinchemikalien fanden die Zeolithe Anwendung.
Abb. 2.41 zeigt die Einlagerung eines aromatischen
Moleküls in den Hohlraum des Zeolithen Y.
Gut erkennbar ist die Wechselwirkung zwischen dem
Metallatom und dem eingelagerten Molekül. Durch den
gezielten Austausch der Metallatome lassen sich die Eigenschaften
für einzelne Synthesen optimieren. Neben
der Lokalisierung der Moleküle durch Diffraktion lässt
a
b
Abb 2.41. Die Einlagerung eines organischen Moleküls
in den Hohlraum des Zeolithen Y zeigt die Wechselwirkung
mit dem Alumosilikatgerüst.
sich auch die Dynamik der Moleküle durch inelastische
bzw. quasielastische Streuprozesse untersuchen. Neutronen
haben hier erhebliche Vorteile durch das hohe
Streuvermögen des Wasserstoffs und die Möglichkeit
der gezielten Deuterierung.
Anlagerung von Kohlenwasserstoffen an
Metalle
Oberfl ächen von Edelmetallen wie Platin und Palladium
sind von besonderer Bedeutung für katalytische Anwendungen.
Durch Methoden der Oberflächenanalytik
(Photoemissionsspektroskopie, Röntgen) konnten
wichtige Informationen zur Änderung der Oberfl äche
bei der Reaktion gewonnen werden. Nicht zugänglich
ist dabei aber die Art der Anlagerung von Reaktanden.
Durch inelastische Neutronenstreuung konnte die
Anordnung von Methylgruppen auf einer Palladium-
Oberfl äche nachgewiesen werden. Abb. 2.42 gibt einen
Eindruck wieder, wie die Bindung zwischen einzelnen
Pd-Atomen und dem Kohlenstoffatom aussieht (Firma
Degussa/Umicore).
Ähnliche Untersuchungen der Anlagerung von Wasserstoff
auf Platin bzw. Platin/Ruthenium Partikeln, die in
Brennstoffzellen eingesetzt werden, wurden ebenfalls
durchgeführt. Die katalytisch aktiven nanokristallinen
Metallpartikel waren dabei auf Kohlenstoff aufgebracht.
Gleichzeitig ließ sich dabei auch die partielle
Oxidation bzw. die Bildung von Pt-OH-Teilchen nachweisen.
Abb 2.42. Anlagerung von CH 3
-Gruppen auf eine
Palladium-Oberfläche.
Brennstoffzellen
Niedertemperaturbrennstoffzellen werden als Alternative
zu Kohlenwasserstoffen als Fahrzeugantrieb
intensiv untersucht. Eine der offenen Fragen vor einem
Einsatz der Polymerelektrolytbrennstoffzellen (PEM)
ist der Durchtritt von Wasser durch die Polymermembran,
die für ihr Funktionieren feucht gehalten werden
muss. Während Änderungen des Metallkatalysators
durch Röntgenabsorptionsmessungen in-situ verfolgt
werden können, lässt sich der Wasserhaushalt durch
direkte Bildgebungsverfahren durch Neutronen verfolgen,
die das Streuvermögen des Wasserstoffs ausnutzen.
Durch Tomographie konnte so der Wassergehalt einer
gesamten Zelle rekonstruiert werden (s. Abb. 2.43).
Die Untersuchungen katalytischer Prozesse mit Neutronen
haben noch erhebliches Potential.
Abb 2.43. Wasserverteilung in einer PEM-Brennstoffzelle.
Eingeschränkte Dimensionalität:
44 45
Nanoröhren / Katalyse

Teilchen- und Hadronenphysik
mit langsamen Neutronen
Teilchen- und Kernphysik mit langsamen Neutronen liefern
wesentliche Beiträge zum Verständnis der materiellen
Grundlagen unserer Existenz. Die Fragestellungen
reichen dabei von den fundamentalen Wechselwirkungen
bis hin zur Entstehung der Elemente im Urknall
und in Supernovaexplosionen. Neutronen werden dazu
einerseits als Studienobjekt verwendet, andererseits als
Sonde in Kernreaktionen und Streuprozessen.
An den Grenzen des Standardmodells
Hauptziel der Teilchenphysik ist es, alle Kräfte der
Natur aus einem vereinigenden Symmetrieprinzip abzuleiten,
was zur theoretischen Vorhersage neuer Teilchen
führt. In der Hochenergiephysik wird versucht, diese
Teilchen direkt zu erzeugen. In komplementären Präzisionsexperimenten
bei niedriger Energie sucht man
hingegen nach kleinsten Verletzungen grundlegender
Symmetrien als experimentelle Signatur neuer Physik.
Exemplarisch für diesen Ansatz in Experimenten mit
langsamen Neutronen zur Teilchenphysik steht die
Suche nach einem nicht verschwindenden elektrischen
Dipolmoment des Neutrons. Die während der letzten
50 Jahre stetig vorangetriebenen Verbesserungen haben
jetzt eine Empfi ndlichkeit von 10 -23 eV auf die Wechselwirkungsenergie
des Neutrons mit externen Feldern
erreicht. Als Frequenz ausgedrückt entspricht dies
wenigen Spinpräzessionen pro Jahr. Diese Suche hat
bislang mehr theoretische Szenarien zur Erweiterung
des Standardmodells ausgeschlossen als jedes andere
Experiment. Die große Bedeutung der Messgröße
besteht darin, dass sie die Symmetrie fundamentaler
Wechselwirkungen zwischen Materie und Antimaterie
verletzt, die sogenannte CP-Symmetrie. In der Teilchenphysik
mit Beschleunigern konnten derartige Prozesse
für neutrale Kaonen und B-Mesonen identifiziert werden.
Die Stärke der darin gefundenen CP-Verletzung
genügt jedoch nicht zur Beantwortung der Frage, warum
man im Universum so viel Materie fi ndet und nicht
ein Großteil davon kurz nach der Geburt des Universums
mit Antimaterie zerstrahlt ist. Zur Lösung dieses
kosmologischen Rätsels wird eine weitaus größere
CP-Verletzung benötigt als bislang beobachtet.
Zeitumkehr
Über ein grundlegendes Theorem der Teilchenphysik
entspricht die CP-Verletzung auch einer Verletzung
der Symmetrie fundamentaler Prozesse bezüglich der
Richtung der Zeit, der sogenannten Zeitumkehr- oder
T-Invarianz. Neben dem elektrischen Dipolmoment
bieten langsame Neutronen zur Suche nach derartigen
Prozessen eine Vielzahl weiterer Möglichkeiten:
untersucht werden zwei T-verletzende Observablen
im Zerfall freier Neutronen sowie Observablen in
Neutronen-induzierten Kernreaktionen und in der
Neutronenoptik. Kennzeichnend ist, dass die verschiedenen
Messgrößen unterschiedliche Mechanismen
der T-Verletzung testen. Damit sind sie nicht nur zur
Hochenergiephysik, sondern auch untereinander, komplementär.
Ursprung der Elemente
Während Experimente zur Verletzung der Zeitumkehrinvarianz
auf Eigenschaften fundamentaler Wechselwirkungen
noch vor Ablauf der ersten Mikrosekunde
nach dem Urknall empfi ndlich sind, können Neutronen
auch auf die Frage nach dem Ursprung der chemischen
Elemente wesentliche Beiträge liefern. Auch hierfür
stehen sehr vielfältige Observablen zur Verfügung.
Eine Schlüsselgröße zum Verständnis der relativen
Häufi gkeiten der leichten Elemente nach dem Urknall
ist die Lebensdauer des freien Neutrons, das sich durch
radioaktiven Zerfall in ein Proton, ein Elektron und ein
Antineutrino umwandelt. Sie bestimmt die Stärke der
schwachen Prozesse. Nach etwa einer Sekunde konnte
in der Ursuppe das thermische Gleichgewicht zwischen
Neutronen und Protonen durch schwache Prozesse nicht
mehr aufrecht erhalten werden. Neutronen begannen
frei zu zerfallen, verbunden mit einer Nettoerzeugung
von Protonen. Diese kam erst nach etwa drei Minuten
zum Stillstand, als die Temperatur des Universums so
weit abgesunken war, dass das Deuteron nicht länger
durch energiereiche Photonen dissoziiert - und damit
zu einem stabilen Atomkern - wurde. Beobachtungen
primordialer Elementhäufi gkeiten und Simulationen der
Elemententstehung in der Frühzeit des Universums sind
mittlerweile derart genau, dass genauere Messungen
der Neutronenlebensdauer sowie einiger Reaktionsquerschnitte
benötigt werden.
Schwache Wechselwirkung
Die Bildung von Deuterium und schwereren Elementen
im normalen Brennvorgang in Sternen wird durch die
Kopplungskonstanten der schwachen Wechselwirkung
des Nukleons bestimmt, die man mit Hilfe weiterer
Observablen im Neutronzerfall misst. Die Produktion
von Elementen schwerer als Eisen ist durch Fusionsprozesse
nicht möglich, sondern geschieht in Supernovaexplosionen
und anderen kosmischen Katastrophen
durch eine Reaktionskette aus sukzessiven Neutroneneinfängen
und Betazerfällen. Die relativen Häufi gkeiten
der verschiedenen Elemente hängen dabei auch von
Einfangsquerschnitten und Betazerfallszeiten extrem
neutronenreicher Kerne ab, die mittels Kernspektroskopie
von Fragmenten aus der Kernspaltung untersucht
werden können. Diese Studien treffen auf theoretische
Bemühungen, zu einer einheitlichen Beschreibung der
Kernphysik als eine effektive Feldtheorie auf Grundlage
der fundamentalen starken Wechselwirkung zu gelangen.
Damit sollen modellunabhängige Vorhersagen der
Eigenschaften auch bislang noch unerforschter exotischer
Kerne ermöglicht werden. Zur weiteren Entwicklung
- und zum Test dieser theoretischen Ansätze
- werden auch verbesserte Präzisionsmessungen an
neutroneninduzierten Reaktionen in Systemen weniger
Nukleonen benötigt.
Phasenübergänge des Universums
und Messgrößen von Neutronenexperimenten
Temperatur
10 19 GeV
10 -11 GeV
Neue Physik
Planck
EDM
--GUTs--
Standardmodell
Inflation
Elektroschwacher
Chiraler Übergang
Ausfrieren v. Neutron + Proton
Atomkernausfrieren
10 -43 s 10 -35 s 10 -12 s 1 s 10 5 a 10 9 a heute
Zeit
Atomares Ausfrieren
Galaktisches Ausfrieren
Abb 2.44. Phasenübergänge des Universums über einer Zeitskala beginnend mit dem Urknall. Markiert sind Observablen,
die durch Experimente mit Neutronen gewonnen werden können.
46 Teilchen- und Hadronenphysik 47

Ausstrahlung der Forschung mit Neutronen
in unser tägliches Leben
48
49

Das immer raschere Umsetzen wissenschaftlicher
Erkenntnisse in Verfahren und Produkte des täglichen
Lebens prägt unsere Zivilisation und ist Motor des
Fortschritts. Dass dabei Neutronen als einzigartige
und für viele Fragestellungen unverzichtbare
Sonden zur Untersuchung von Materialien eine
wichtige Rolle spielen, ist nicht überraschend, und
es ist klar zu sehen, dass ihre Bedeutung mit dem
Vordringen wissenschaftlicher Methoden in immer
mehr Bereiche des täglichen Lebens noch zunehmen
wird. Die Forschung mit Neutronen strahlt schon
jetzt auf viele unterschiedliche Gebiete des täglichen
Lebens aus. Neutronen dienen dabei nicht nur zur
Analyse von Materialeigenschaften, sondern – über
Kernreaktionen – auch zur Materialmodifi kation.
Einige Beispiele aus den Gebieten Kommunikation
und Informationstechnologie, Mobilität, Energie und
Umwelt, Gesundheit sowie kulturelles Erbe sollen diese
Bedeutung der Neutronenforschung belegen.
Kommunikation und
Informationstechnologie
Überall im täglichen Leben begegnen uns magnetische
Medien zur Datenspeicherung. Die enormen Fortschritte
in Speicherdichte und Geschwindigkeit beim
Aufzeichnen und Auslesen und die damit verbundene
Miniaturisierung der Speichermedien wären ohne
intensive Grundlagenforschung nicht möglich gewesen.
Neutronen als kleine „Elementarmagnete“ sind die idealen
Sonden zur Erforschung magnetischer Eigenschaften
von Materialien auf mikroskopischer Skala. Nahezu
alles, was wir heute über Ordnung und Dynamik der
magnetischen Momente in Materialien und die Änderung
magnetischer Strukturen durch äußere Einfl üsse
sicher wissen, beruht auf Ergebnissen von Neutronenstreuexperimenten.
Spintronik
Welche Entwicklungen in der Informationstechnologie
wurden in der letzten Zeit durch Grundlagenforschung
ermöglicht Die Entdeckung des GMR-Effektes
(Riesenmagnetowiderstand) durch Grünberg et al. und
Fert et al. im Jahre 1988 hat das Gebiet der Spintronik
begründet. Speicherung, Transport und Verarbeitung
von Information unter Ausnutzung der Abhängigkeit
elektrischer Transporteigenschaften vom Elektronenspin
ermöglicht erheblich schnellere, leistungseffi zientere
und kleinere Bauelemente. Bei der Entdeckung
dieses Effekts hat die Neutronenstreuung zwar keine
Rolle gespielt. Jedoch war umfangreiche Grundlagenforschung
zur technischen Realisierung der Bauelemente,
die auf diesem Effekt basieren, unabdingbar, und
hier haben Neutronen entscheidende Beiträge geliefert.
Zur Optimierung von Bauteilen müssen die magnetischen
Eigenschaften unterschiedlichster Materialien
und Materialkombinationen im Detail untersucht
und verstanden werden. Bei den Paketen aus dünnen
Schichten – typische Bauelemente der Spintronik - sind
es insbesondere auch strukturelle und magnetische
Rauigkeiten in den Grenzschichten, die das Verhalten
der Bauelemente stark beeinfl ussen können. Sehr bald
nach seiner Entdeckung wurde der GMR-Effekt zusammen
mit dem Exchange-Bias-Effekt, einem weiteren
an Dünnschichtpaketen zu beobachtenden Effekt, zum
Bau empfi ndlicher Festplattenleseköpfe ausgenutzt.
Durch den Einsatz dieser neuen Leseköpfe ließen sich
die nutzbaren Speicherdichten von Festplatten in kurzer
Zeit um den Faktor 10 steigern.
Magnetische Speicher
Noch am Anfang steht eine Entwicklung hin zu noch
dichteren Magnetspeichern, bei denen die Magnetisierung
des Materials nicht mit einem äußeren Magnetfeld,
sondern mit anderen Mitteln, beeinfl usst wird.
Ergebnisse der Grundlagenforschung mit Neutronen
erlauben erste Einblicke, wie erfolgversprechende
Systeme funktionieren könnten. Eine aussichtsreiche
Materialklasse stellen die ferromagnetischen
Ferroelektrika (Multiferroika) dar, in denen durch ein
äußeres elektrisches Feld reversibel ferromagnetische
Ordnung in einem Kristall an- und abgeschaltet werden
kann. Vor kurzem wurde mit Neutronenstreuung am
System HoMnO 3
im Detail der dafür verantwortliche
Mechanismus aufgeklärt.
Silizium
Bei all diesen Entwicklungen auf dem Gebiet der magnetischen
Speichermedien soll nicht vergessen werden,
dass Neutronen auch bei der Herstellung homogen dotierten
Siliziums – eines Grundstoffs für elektronische
Bausteine – eine wichtige Rolle spielen. Dazu werden
Blöcke von einkristallinem Silizium in Reaktoren mit
Neutronen bestrahlt, wobei über eine Kernreaktion etwa
eines von 1 Million Siliziumatomen in ein Phosphoratom
umgewandelt wird. Die große industrielle Bedeutung
dieser als Transmutationsdotierung bezeichneten
Methode ist in der exzellenten Homogenität begründet,
die damit erreicht wird. So werden wesentlich höhere
Leistungsdichten bei Transistoren und Thyristoren, wie
sie zum Beispiel in der Bahntechnik eingesetzt werden,
möglich.
CoFe – frei drehbar
Oxid-Barriere
CoFe - festgehalten
Abb. 3.1. Der magnetoelektrische GMR-Effekt. Der
elektrische Widerstand dieses Schichtpakets ändert sich, je
nachdem ob die Magnetisierungsrichtungen in den beiden
ferromagnetischen Schichten parallel oder antiparallel
zueinander ausgerichtet sind. Er ist gering bei paralleler
Orientierung und groß bei antiparalleler Orientierung. Ein
magnetisches Signal (Richtung der Magnetisierung) wird so
in ein Stromsignal (elektrischer Widerstand) übersetzt.
Abb. 3.2. Der Exchange-Bias-Effekt. Eine antiferromagnetische
Schicht fixiert die Magnetisierungsrichtung der
angrenzenden ferromagnetischen Schicht. Sogenannte
„Spinvalve“-Bauelemente, bei denen eine zweite ferromagnetische
Schicht durch ein externes Feld gedreht werden
kann, wirken über den Magnetwiderstand als Sensoren.
Abb. 3.3. Schema eines sog. MRAM-Speichers als
Beispiel eines lateral strukturierten magnetischen Schichtsystems.
Abb. 3.4. Neutronenstreuung konnte in HoMnO 3
den
Mechanismus bestimmen, der zu multiferroischem Verhalten
(Kombination von ferroelektrischem und ferromagnetischem
Verhalten) führt. Derartige Multiferroika könnten sich als
entscheidend für die Entwicklung magnetischer Speicher
erweisen.
50 Kommunikation
51

Mobilität
Personen- und Güterverkehr bestimmen unser tägliches
Leben in einem Ausmaß, das früher undenkbar
erschien. Grundlage dieser Entwicklung sind enorme
Ingenieur-Leistungen, die zu immer schnelleren und
zuverlässigeren Transportmitteln führten - man denke
nur an die Entwicklung des Luftverkehrs. Möglich wurde
dies durch den Einsatz immer besserer Materialien,
wobei deren Potential immer häufi ger bis an die Grenzen
ausgereizt wird. Die Verkehrstechnik ist deshalb
nicht nur auf die Entwicklung neuer Materialien angewiesen,
sondern auch auf Methoden, die es erlauben,
ganze Bauteile zuverlässig unter realen Bedingungen
- auch unter Grenzbelastungen - zu testen. Insbesondere
müssen verlässliche experimentelle Daten gewonnen
werden, die zur Validierung von mathematischen Modellierungen
von Bauteilen, z. B. Finite-Elemente-Rechnungen,
herangezogen werden können. Damit können
dann belastbare Standzeiten für Maschinen festgelegt
werden.
Eigenspannungsanalyse
Insbesondere aufgrund ihrer Fähigkeit, tief in Metalle
einzudringen, wurden Neutronen in den letzten Jahren
für Ingenieure ein immer wichtigeres Werkzeug. Diese
Eigenschaft erlaubt zum Beispiel, Spannungszustände
auch im Inneren eines massiven metallischen Bauteils
quantitativ zu bestimmen. Ungünstige Verteilungen
solcher Spannungen sind häufi g Auslöser eines fatalen
Materialversagens.
ICE-Radbruch wäre vermeidbar gewesen
Ein Beispiel aus jüngster Vergangenheit stellt die
Erforschung der Ursachen eines Radbruchs an einem
ICE-Waggon dar. Dieser Radbruch führte zu einem der
schwersten Unglücke in der Geschichte der deutschen
Eisenbahn. Nach dem Unglück wurde der Radring des
ICE-Rades mit Neutronendiffraktometrie untersucht;
eine Zugspannung (blaue Zone in Abb. 3.5) wurde als
Ursache des Materialversagens identifiziert. Finite-
Elemente-Rechnungen hatten während der Entwicklungsphase
diese Gefahr nicht erkennen lassen. Eine
frühzeitige Untersuchung mit Neutronen während der
Testphase dieses Typs von Radreifen hätte den Unfall
aber verhindern können.
Diesel auch im tiefsten Winter
Ein interessantes Beispiel für die Bedeutung der Forschung
mit Neutronen für das tägliche Leben in einer
mobilen Gesellschaft ist die Entwicklung von speziellen
organischen Substanzen – Additiven – für Dieseltreibstoffe
(Abb. 3.6). Diese sorgen dafür, dass sich bei winterlichen
Temperaturen keine größeren Wachskristalle
bilden, die die Treibstofffi lter verstopfen können. Zusatz
von Polymeren fördert die Bildung vieler Kristallkeime
und verhindert so die Entstehung großer Aggregate. Die
Aufklärung dieses Wirkungsmechanismus und parallel
dazu die Optimierung der Additiv-„Rezeptur“ wurden
ganz wesentlich durch Neutronenstreuexperimente
vorangetrieben. In nur vier Jahren wurde Grundlagenforschung
in ein marktreifes Produkt umgesetzt! Heutzutage
fi nden sich diese Additive während der kalten
Jahreszeit in allen gängigen Dieseltreibstoffen.
Bildgebende Verfahren
Das hohe Durchdringungsvermögen gepaart mit
besonderer Empfi ndlichkeit für einzelne chemische
Elemente prädestiniert die Neutronen für tomographische
und radiographische Untersuchungen. Dies gilt
insbesondere für das zerstörungsfreie Sichtbarmachen
von Materialien, die leichte Elemente wie Wasserstoff,
Lithium oder Bor enthalten und sich im Inneren metallischer
Objekte befi nden. Ein Beispiel ist in Abb. 3.7
dargestellt. Es zeigt die Abgasleitung eines Flugzeugtriebwerkes,
in dem Öl- und Treibstoffreste gefährliche
Ablagerungen bildeten. Eine komplette Verstopfung
könnte zur Zerstörung des Triebwerks mit katastrophalen
Folgen führen. Die Ablagerungen konnten mit
Neutronentomographie detailliert abgebildet werden,
ohne die Abgasleitung aufschneiden zu müssen. Unterschiedliche
Farben in der Darstellung entsprechen dabei
unterschiedlichen Dichten. Über eine genaue Analyse
der Dichteunterschiede können Rückschlüsse auf die
Entstehungsgeschichte der Ablagerungen gemacht
werden, was wiederum für die Ursachenforschung
erheblich ist. Diese Untersuchungen wurden von der
britischen Flugunfallbehörde und der Flugzeugindustrie
in Auftrag gegeben.
a) Große Wachskristalle in Dieselöl
verstopfen die Düsen.
b) Zusatz von Polymer-Aggregaten.
Abb. 3.5. Eigenspannungsuntersuchungen an ICE-Rad.
Mit Neutronendiffraktometrie wurde nach dem verheerenden
Eisenbahnunglück von Eschede im Jahre 1998, das
durch einen Radbruch ausgelöst worden war, der Radring
des ICE-Rades untersucht. Die Zugspannung (blaue
Zone) wurde als Ursache des katastrophalen Materialversagens
identifiziert.
c) Die Polymer-Aggregate
fungieren als Nukleationszentren.
Abb. 3.6. Wirkungsweise der Dieselöl-Additive, deren Entwicklung
durch Neutronenstreuexperimente möglich gemacht wurde.
d) Viele kleinste Kriställchen ohne Verstopfungsgefahr.
Abb. 3.7. Öl- und Treibstoffablagerungen in der Abgasleitung
eines Flugzeugtriebwerkes.
Die Ablagerungen im Inneren der Abgasleitung konnten
durch Neutronentomographie zerstörungsfrei abgebildet
werden. Unterschiedliche Farben in der Darstellung entsprechen
dabei unterschiedlichen Dichten.
52 Mobilität
53

Brennstoffzelle
Energie +
H 2
O
O 2
Photoelektrolyse
H 2
-
Speicherung
O 2
H 2
Energie und Umwelt
Es ist unbestritten, dass sich eine wachsende Erdbevölkerung
das Verbrennen fossiler Energieträger zur Energiegewinnung
im großen Maßstab nicht mehr lange
leisten kann. Nicht nur gehen die leicht ausbeutbaren
Vorräte - zumindest die Vorräte an Erdöl – allmählich
zur Neige; auch die CO 2
-Akkumulation in der Atmosphäre
birgt ungeheure Risiken. Weltweit wird der
Einsatz der Wasserstoff-Technologie als ein Ausweg aus
dieser Situation angesehen. Ein idealer Wasserstoff-Zyklus
kann in drei Stationen gegliedert werden: nämlich
Elektrolyse des Wassers mit Photovoltaik, Speicherung
des Wasserstoffs und schließlich seine Verbrennung in
einer Brennstoffzelle. Der Zyklus ist in Abbildung 3.8
skizziert.
Gashydrate
Methan-Clathrate, die in riesigen Mengen im Sediment
von Ozeanrändern vorkommen, erregen seit Kurzem
große Aufmerksamkeit als mögliche fossile Energiequelle
(s. Abb. 3.9). Clathrate sind Einschlussverbindungen,
in denen Gastmoleküle Käfi ge aus Wasser stabilisieren.
Sie sind nur in einem bestimmten Druck- und
Temperaturbereich stabil. Unter Umweltgesichtspunkten
ist es von größter Bedeutung, diese Stabilitätsbereiche
genau zu kennen. Neutronen mit ihrer speziellen Empfi
ndlichkeit für Wasserstoffatome und ihrer Fähigkeit,
komplexe Probenumgebungen (Druckzellen, Kryostate)
zu durchdringen, sind für diese Untersuchungen das
Mittel der Wahl.
Anode
Brennstoff
H 2
(Gas)
-
+
Kathode
O 2
(Gas)
N 2
(Gas)
H 2
O (Gas)
N 2
(Gas)
Abb. 3.8. Der Wasserstoff-Zyklus (oben), Lade- und
Entladevorgänge in Metallhydrid-Speichern (Mitte),
Prinzip der Brennstoffzelle (unten).
Wasserstoff-Technologie
Alle drei Stationen des Wasserstoffzyklus bedürfen
noch großer Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen.
Neutronen tragen dazu Entscheidendes bei,
insbesondere bei den beiden letzten Stationen: der
Wasserstoffspeicherung und den Brennstoffzellen. Als
Wasserstoffspeicher kommen Metallhydride (Metall-
Wasserstoff-Verbindungen) in Frage. Aus Gründen der
Gewichtsersparnis bei mobilem Einsatz (z. B. im Auto)
sind dabei leichte Metalle wie Magnesium besonders
attraktiv. Neutronen sind eine ideale Sonde zur Untersuchung
solcher Hydridspeicher mit Streuexperimenten.
Lade- und Entladevorgänge, wie in Abb. 3.8 (Mitte)
skizziert, können daher mit Neutronen in in-situ-Experimenten
direkt verfolgt werden. Bei der letzten Station
des Wasserstoffzyklus, der Brennstoffzelle, liegt der
Schwerpunkt der Entwicklungsarbeiten bei den Wasserstoff-
und Sauerstoff-Ionen-leitenden Elektrolytmembranen
(s. Abb. 3.8 unten). Diese werden aus speziellen
Polymeren hergestellt. Zur genauen Untersuchung der
Vorgänge in Brennstoffzellen sind Neutronen ebenfalls
unerlässlich. Ein guter Teil der Messzeiten an
Neutronen-Tomographieanlagen wird von Entwicklern
der Brennstoffzellen aufgekauft; der Wasserzyklus in
den Zellen lässt sich mit Neutronen sehr gut verfolgen.
Das enorme fi nanzielle Interesse erlaubt derzeit aber
nur sporadische Veröffentlichungen der gewonnenen
Ergebnisse.
Abb. 3.9. Gashydrate treten in der Natur
meist im Meeresboden auf, z. B. als Gashydrat-Sediment-Wechsellagen
(oben
rechts).
Brennendes Eis - das Gas im Hydrat macht
dieses Paradoxon scheinbar möglich (oben
links).
Mit Neutronen werden Struktur und
Dynamik von Gashydraten untersucht,
siehe Beugungsdiagramm. Die oberen
Markierungen bezeichnen die Reflexe der
Hydratstruktur, die untere Kurve zeigt die
Differenz von beobachtetem und berechnetem
Profil (unten).
54 Energie und Umwelt
55

Erfolgschancen der Neutronentherapie könnten noch
gesteigert werden, wenn es gelänge, in die Tumorzellen
gezielt borhaltige Substanzen einzuschleusen. Dabei
würde man ausnutzen, dass Boratome Neutronen sehr
stark absorbieren und dann in einer Kernreaktion in
zwei Bruchstücke zerplatzen, wodurch die Tumorzellen
wirkungsvoll zerstört werden könnten. Die Neutroneneinfangtherapie
befi ndet sich aber noch im Entwicklungsstadium.
Abb. 3.10. Ausschnitt aus einer Lipidmembran, die in Kontakt mit dem Peptid -Amyloid (weiß eingefärbt) gebracht wurde.
Bei dem Neutronenstreuexperiment wurde zum einen nicht deuteriertes -Amyloid eingesetzt und zum anderen ein „markiertes“
-Amyloid, bei dem in einer bestimmten Aminosäure Protonen gegen Deuteronen (violett dargestellt) ausgetauscht
worden waren. Im Messdiagramm (rechte Seite der Abbildung) entspricht die rote Kurve der Messung mit nicht markiertem,
die blaue Kurve der Messung mit markiertem -Amyloid. Die ausgeprägten Unterschiede in der Streuung zeigen eindeutig,
dass Peptid in die Membran eingelagert wurde.
Gesundheit
Biologische Systeme bestehen zu einem großen Teil aus
Wasserstoff. Ihre Strukturen werden zwar im Großen
und Ganzen mit Röntgenmethoden bestimmt, aber nur
die einzigartigen Eigenschaften der Neutronen erlauben
es, die genaue Lage der Protonen (Wasserstoffkerne)
eindeutig experimentell festzulegen. Dazu steht als weiteres
Hilfsmittel die Kontrastvariation zur Verfügung:
Im Neutronenstreubild unterscheiden sich die Kerne
des leichten Wasserstoffs (Protonen) sehr stark von
den Kernen des schweren Wasserstoffs (Deuteronen).
Die Möglichkeit, den Streukontrast durch Deuterieren
zu verändern, spielt speziell bei der Untersuchung
komplexer biologischer Vorgänge eine große Rolle.
Ein Beispiel für die Anwendung dieser Methode zur
Klärung einer medizinisch relevanten Fragestellung
zeigt Abb. 3.10. Das Peptid -Amyloid, dessen Ablagerung
oder eventuelle Einlagerung in Zellmembranen
eine Schlüsselrolle bei der Alzheimer-Krankheit spielt,
konnte mittels Kontrastvariation in einer Lipidmembran
lokalisiert werden. Dazu wurde eine spezifi sche Aminosäure
des Peptids mit Deuteronen markiert (violett) und
die Neutronenstreudichte der Membran mit markiertem
und unmarkiertem -Amyloid bestimmt. Die Position
der markierten Aminosäure ist als positive Differenz in
den Neutronenstreudichten zu sehen. Solche Ergebnisse
sind wichtig für das Verständnis biologischer Prozesse
und geben wertvolle Hinweise für die Entwicklung von
Medikamenten.
Diagnostik...
Neutronen werden zur Produktion von Radionukliden
über Kernreaktionen genutzt und dienen so unmittelbar
medizinischen Zwecken. Radionuklide werden sowohl
in der Diagnostik als auch in der Therapie eingesetzt.
Welche Bedeutung sie in der Medizin haben, machen
folgende Zahlen klar: Weltweit werden jährlich
13 Millionen Untersuchungen mit Hilfe von Radionukliden
durchgeführt; jeder dritte Krankenhauspatient
profi tiert vom Einsatz der Radionuklide. In mehr als
der Hälfte der nuklearmedizinischen Anwendungen
wird dabei das Radioisotop 99 Tc eingesetzt, für das
Neutronenquellen die einzigen Lieferanten sind.
... und Therapie
Neutronen werden auch direkt zu therapeutischen
Zwecken eingesetzt: Es gibt Tumorarten, sog. sauerstoffunterversorgte
(hypoxische) Tumore, die durch
Bestrahlung mit Neutronen besser behandelt werden
können als mit konventioneller Strahlentherapie. Die
Abb. 3.11. Proben für die NAA - Quarzampullen mit biologischem
Material in Bestrahlungsbüchsen aus Aluminium.
Prinzip der Neutronenaktivierungsanalyse (NAA):
Wird eine Probe mit Neutronen bestrahlt, können sich einige
Atomkerne in radioaktive Nuklide umwandeln. Durch
Analyse der -Strahlung, die von diesen radioaktiven Kernen
ausgesandt wird, kann auf Art und Konzentration von
chemischen Elementen geschlossen werden, die in der
Probe enthalten sind. Geringste Mengen eines Elementes
lassen sich auf diese Weise bestimmen.
10 4
10 3 150 200 250 300 350 400
Energie (keV)
Abb. 3.12. Ausschnitt eines Gammaspektrums.
Lungengewebe (Ratte). Die Gammalinien des Se-75
(121 keV, 264 keV, 279 keV und 400 keV) sind markiert.
Abb. 3.13. Stent in gespreiztem Zustand.
Nahrungsmittel
Neutronenaktivierungsanalyse ist die Referenz-Methode
zur Bestimmung der Konzentration von Spurenelementen
(s. Abb. 3.11, 3.12). Viele Funktionen in
Organismen können nur aufrechterhalten werden, wenn
bestimmte chemische Elemente in winzigen Mengen
vorhanden sind. Ein Zuviel oder ein Zuwenig kann
zu großen Gesundheitsschäden führen. Ein typisches
Beispiel ist das Selen. Selen ist für den menschlichen
Körper ein starkes Gift, in geringen Mengen
(1,0 – 1,5 µg/kg Körpergewicht) aber lebensnotwendig.
Die Neutronenaktivierungsanalyse liefert hier genaue
Angaben über die absolute Konzentration, mit denen
andere spektroskopische Methoden kalibriert werden.
So ist es verständlich, dass Hersteller von Babynahrung
oder von medizinischer Ersatznahrung typische
Nutznießer der Neutronenaktivierungsanalyse sind.
In beiden Fällen kommt es essentiell auf die richtige
Zusammensetzung der Spurenelemente an.
Medizintechnik
Ein indirekter aber in der Konsequenz ungeheuer wichtiger
Beitrag der Neutronen zur medizinischen Versorgung
ergibt sich aus der Erforschung der sog. Formgedächtnislegierungen.
Bauteile aus solchen Legierungen
„erinnern“ sich immer wieder an eine ihnen einmal
gegebene Gestalt. Verformt man sie, kehren sie durch
eine Temperaturbehandlung wieder in die ursprüngliche
Gestalt zurück. Typische Vertreter dieser Materialklasse
sind Nickel-Titan-Legierungen. Neutronenstreuexperimente
hatten einen entscheidenden Anteil an der
Aufklärung des Erinnerungsmechanismus, der auf
einer martensitischen Phasenumwandlung beruht. Bioverträgliche
Formgedächtnislegierungen spielen nun in
der Medizintechnik eine wichtige Rolle als Implantate.
Ein Beispiel sind Stents, die in Blutgefäße, Harnröhren
oder Gallengängen in zusammengefaltetem Zustand mit
Hilfe eines Katheters eingeführt werden. Bei Körpertemperatur
spreizen sich dann die feinen Gefl echte auf
(s. Abb. 3.13). Diese Art der Dilatation von Blutgefäßen
hat zur Vorbeugung von Infarkten eine herausragende
Bedeutung erlangt.
56 Gesundheit
57

Kulturelles Erbe
Die Bewahrung des kulturellen Erbes hat in den letzten
Jahren einen zunehmenden Stellenwert in Politik und
Gesellschaft erfahren, vielleicht als Reaktion auf das
weit verbreitete Gefühl, in einer Welt zu leben, die sich
rapide wandelt. Kunstschätze in ihrem gegenwärtigen
Zustand mit wissenschaftlichen Mitteln zu erfassen,
ihre Geschichte zu erforschen, Wege zur Restaurierung
und Bewahrung aufzuzeigen, all dies wird von Institutionen
wie der UNESCO oder der europäischen Kommission
immer stärker als wichtige gesellschaftliche
Aufgabe angesehen, zu der auch Forschungseinrichtungen
ihren Beitrag leisten sollen.
Neutronenautoradiographie
Neutronen tragen in mannigfacher Weise zu Bemühungen
um die Bewahrung des kulturellen Erbes bei. Ein
Beispiel ist die Anwendung der Neutronenautoradiographie
zur Untersuchung von Gemälden. Man bestrahlt
Gemälde mit Neutronen, wobei durch Kernreaktionen
einige Atome in den Bildmaterialien, insbesondere
in den Farbpigmenten, radioaktiv werden (im Durchschnitt
nur etwa vier von 10 12 Atomen). Nach Ende der
Bestrahlung wird der Zerfall der radioaktiven Kerne
über die dabei ausgesandte - und -Strahlung registriert.
Die räumliche Verteilung der radioaktiven Kerne
wird über die Schwärzung eines empfi ndlichen Filmes
nachgewiesen, der nach der Neutronenbestrahlung auf
das Gemälde aufgelegt wird. Die radioaktiven Kerne
unterscheiden sich durch ihre verschiedenen Zerfallszeiten.
Durch Aufl egen jeweils neuer Filme nach
bestimmten Zeitabständen können so radioaktive Kerne
unterschiedlicher Lebensdauer und damit korreliert
unterschiedliche Farbpigmente bevorzugt sichtbar
gemacht werden. Durch Einsatz von -empfindlichen
Detektoren lässt sich zudem die chemische Zusammensetzung
einzelner Farbpigmente ähnlich wie bei der
Neutronenaktivierungsanalyse bestimmen.
Autoradiographie des Berliner Bildes (vergl. Abb. 3.14),
auf der zur Überraschung der Kunsthistoriker zusätzliche
Bäume zu erkennen sind (in Abb. 3.15 braun
hervorgehoben), die offenbar wieder übermalt worden
waren. Bei einer röntgenographischen Untersuchung
des Bildes waren diese Bäume nicht zu sehen. Diese
zusätzlichen Bäume enthalten dieselben Farbpigmente
wie die anderen Bildelemente und passen auch in
die Gesamtkomposition des Bildes. Daraus kann man
nur den Schluss ziehen, dass der Maler sein Konzept
während der Ausführung des Gemäldes änderte, um
zu einer anderen künstlerischen Aussage zu kommen.
Werden solche Übermalungen, Pentimenti genannt,
entdeckt, so gilt das bei Kunsthistorikern immer als
gewichtiger Hinweis darauf, dass es sich bei dem Bild
um ein Original handelt. Für einen Kopisten ist eine
Konzeptänderung während der Bildausführung sehr
unwahrscheinlich. Kunsthistoriker gehen deshalb jetzt
davon aus, dass das Gemälde „Armida entführt den
eingeschläferten Rinaldo“ von Nicolas Poussin selbst
gemalt wurde.
Abb. 3.14. Nicolas Poussin, „Armida entführt den
eingeschläferten Rinaldo“, (ca. 1637), Gemäldegalerie
Berlin, 120 x 150 cm 2 , Kat. Nr. 486.
Ursprünglich wurde dieses Bild für das Werk eines Kopisten
gehalten.
Abb. 3.15. Neutronenautoradiographie des Bildes
„Armida entführt den eingeschläferten Rinaldo“
(aus 12 einzelnen Filmen zusammengesetzt).
Deutlich sind zusätzliche Bäume zu erkennen (zur Hervorhebung
braun eingefärbt), die in der endgültigen Ausführung
des Bildes fehlen und zum Teil durch eine Säule
ersetzt sind (vergl. Abb. 3.14). Solche als Pentimenti bezeichneten
Übermalungen sind für Kunsthistoriker immer
ein starker Hinweis darauf, dass das Bild ein Original ist,
d. h. nicht von einem Kopisten stammt.
Original oder Fälschung
Ein erhellendes Beispiel dafür, wie die Neutronenautoradiographie
benutzt werden kann, um die Zuordnung
eines Gemäldes zu einem bestimmten Maler zu klären,
ist in den Abb. 3.14 und 3.15 dargestellt. Abb. 3.14 zeigt
ein Bild aus der Berliner Gemäldegalerie. Es trägt die
Bezeichnung „Armida entführt den eingeschläferten
Rinaldo“ und wurde bisher als Werk eines Kopisten
des französischen Malers Nicolas Poussin (1594-1665)
angesehen. Ein Original Poussins mit ganz ähnlichem
Sujet hängt in der Londoner Dulwich Picture Gallery
(„Armida und Rinaldo“). Abb. 3.15 zeigt nun eine
58 Kulturelles Erbe
59

Stellung in der
internationalen Forschungslandschaft
60 61

Eine der größten und bedeutendsten
Nutzergemeinden
Die deutsche Gemeinde der Wissenschaftler, die Neutronen
für ihre Forschung einsetzen, ist eine der größten
Neutronennutzergemeinden weltweit, wie auch die
Erhebung der ENSA im Jahre 1998 [8] belegt. Die in
Abb. 4.1 gezeigte Aufteilung nach Nationen spiegelt die
Verteilung wider, wie sie im ENSA-Bericht von 1998
angegeben wird. Die Werte dürften sich inzwischen
leicht geändert haben, ohne jedoch obige Kernaussage
zu berühren. Die Anzahl von Wissenschaftlern, die in
der KFN-Datenbank registriert sind – dies sind deutsche
Wissenschaftler im In- und Ausland und ausländische
Wissenschaftler, die in Deutschland arbeiten - hat
seit 1998 nochmals zugenommen und liegt inzwischen
bei über 960. Auch die Nutzergemeinden in USA und
Japan dürften angesichts der mit dem Bau der neuen
Quellen SNS bzw. JSNS einhergehenden Aufbruchstimmung
stark zugenommen haben, wozu uns allerdings
keine aktuellen Daten vorliegen.
GB
1200
F
600
E
150 NL
160 CH
300
I
130
D
800
HU
80
Abb. 4.1. Die anzahlmäßig größten Neutronennutzergemeinden
in Europa [8] (Stand 1998). Zum Vergleich: In
den USA gibt es gegenwärtig etwa 1000 Neutronennutzer.
Wissenschaftliche Qualität
Neben der überdurchschnittlichen Produktivität der
deutschen Nutzerschaft, gemessen an der Anzahl der
Publikationen, zeichnet sich Deutschland insbesondere
durch eine Schule der Qualität und Kreativität in der
Forschung mit Neutronen aus. Dies zeigt sich nicht
zuletzt an der hohen Zahl eingeladener Vorträge bei
großen internationalen Konferenzen. Einen sehr guten
Indikator für das wissenschaftliche Potential stellt die
Belebung von Teildisziplinen durch neue mikroskopische
Einblicke mit Hilfe der Neutronen dar. Beispiele
für maßgebliche deutsche Beiträge sind:
• Hochfeldmagnetismus, für den die Neutronenstreuung
die wesentlichen mikroskopischen Informationen
über Quantenphänomene, Struktur und Dynamik
liefert.
• Physik weicher Materie, etwa die mikroskopische
Untersuchung von Polymerkonformation und Polymerdynamik
mit Hilfe von Neutronenkleinwinkelstreuung
und Spinecho-Spektroskopie.
• Quantenzustände in Molekülkristallen, die erst mit
Hilfe von Neutronen-Tunnelspektroskopie erforscht
werden können.
• Spontane Kernspinordnung bei tiefsten Temperaturen.
Neutronen als „sanfte Sonde“ erlauben es, diese
Strukturen, die nur bei sub-mK Temperaturen existieren,
aufzuklären.
• Magnetische Ordnungsphänomene und Domänenstrukturen
in dünnen Schichten und Multilagen.
• Fehlordnung und Diffusionsprozesse, z. B. bei Wasserstoff
in Metallen.
• Frustrierte magnetische Materialien von Spingläsern
zu magnetischer „Ordnung durch Fehlordnung“, d. h.
fl uktuationsinduzierter magnetischer Ordnung.
• Aufklärung geodynamischer Prozesse mit Hilfe von
Neutronentexturuntersuchungen.
• Einsatz ultrakalter Neutronen in der Kern- und Teilchenphysik.
Die Bearbeitung vieler dieser wissenschaftlichen Gebiete
wurde ermöglicht durch die Entwicklung neuer Methoden,
wie der Rückstreuspektroskopie (Quantentunneln,
Diffusion), der Kleinwinkelstreuung (strukturelle
Aspekte weicher Materie), der Streuung in extremer
Probenumgebung (Hochfeldmagnetismus, Kernspinmagnetismus)
oder der diffusen Neutronenstreuung, auch
mit Polarisationsanalyse (strukturelle und magnetische
Fehlordnung). Deutschland hat eine lange Tradition von
wissenschaftsgetriebener Methodenentwicklung.
Wichtige Beiträge zur
Forschungsinfrastruktur
Entsprechend der Größe und der Bedeutung der nationalen
Nutzergemeinde spielt Deutschland eine herausragende
Rolle bei der Bereitstellung von Forschungsinfrastruktur
auf diesem Sektor. Zur Zeit werden in
Deutschland vier Forschungsreaktoren betrieben; darüber
hinaus ist Deutschland einer der drei Hauptpartner
des ILL. In Zukunft werden zwar mit dem FRJ-2 am
FZJ und voraussichtlich dem FRG-1 an der GKSS zwei
wichtige Quellen wegfallen, aber die Stärkung des neuen
Münchner Reaktors FRM-II durch die Repräsentanz
der Helmholtz-Zentren stellt eine gewisse Kompensation
für diesen Verlust dar. Deutschen Nutzern steht dann
einerseits mit dem ILL die derzeit weltbeste Neutronenquelle,
andererseits mit dem FRM-II die modernste
kontinuierliche Quelle zur Verfügung. Daneben bleibt
das HMI als zweites Nutzerzentrum mit einmaliger
Probenumgebung bestehen.
Bedeutung in der Methodenentwicklung
Deutschland ist international eines der führenden
Länder im Bereich Methodenentwicklung für die
Forschung mit Neutronen. Diese Tradition baut auf der
Philosophie des Altmeisters der Neutronenforschung,
Heinz Maier-Leibnitz, auf, nach der eine Steigerung der
Empfi ndlichkeit von Messapparaturen fast zwangsläufi g
grundlegend neue wissenschaftliche Erkenntnisse zur
Folge hat. Wichtige Komponenten und Instrumenttypen
wurden in Deutschland entwickelt, die inzwischen
weltweite Verbreitung gefunden haben und ohne die
der Erfolg der Forschung mit Neutronen nicht möglich
gewesen wäre. Bekannte Beispiele sind:
• Die Erfi ndung der Neutronenleiter, die eine effi ziente
Ausnutzung von Neutronenquellen durch den Bau von
Instrumenten in externen Leiterhallen erst ermöglichten.
• Die Entwicklung der Geschwindigkeitsselektoren, die
es erlauben, gezielt Strahlen mit breiten Wellenlängenbändern
zu erzeugen, wie sie etwa für die Kleinwinkelstreuung
unerlässlich sind. Ultrahohe Drehzahlen
bei Choppern für Flugzeitspektrometer konnten
erst durch die Magnetlagertechnik realisiert werden.
• Den Bau der ersten dedizierten Kleinwinkelanlage,
ein Instrumententyp, der heute am meisten nachgefragt
wird. Die jüngste Weiterentwicklung dieser
Technik, hin zu immer höheren Aufl ösungen, erfolgte
mit einer fokussierenden Kleinwinkelanlage ebenfalls
in Deutschland.
• Die Erfindung und Entwicklung der höchstaufl
ösenden Rückstreuspektroskopie, die erst die Untersuchung
von Quantentunneln in Molekülkristallen
oder von langsamen Diffusionsprozessen ermöglicht.
Die jüngste Entwicklung ist eine Phasenraumtransformation,
die bedeutende Intensitätssteigerungen
ermöglicht.
• Die Optimierung von Target und Moderator für MW-
Spallationsquellen. Die amerikanische und japanische
Quelle SNS bzw. JSNS werden nach dem Vorbild der
ESS Projektstudie - unter hoher Beteiligung deutscher
Wissenschaftler - gebaut.
• Effi zienzsteigerung von Spallationsquellen durch die
Nutzung von langen Pulsen mit Hilfe des „Wellenlängen-Multiplexing“.
• Einführung des multispektralen Extraktionssystems
bzw. untermoderierter kalter Quellen, um einen besonders
breitbandigen Neutronenstrahl zu erzeugen.
• Die Einführung von hyperpolarisiertem 3 He-Gas als
Polarisationsfi lter in der Neutronenstreuung.
Aufgrund der Kompetenz auf dem Gebiet des Instrumentenbaus
sind deutsche Gruppen weltweit gefragte
Partner beim Aufbau der Instrumentierung neuer
Quellen, z. B. NIST, SNS, ISIS, LLB, PSI, BNC, FLNP.
Umgekehrt sind die Instrumente an deutschen Quellen
aufgrund ihrer Qualität von Forschern aus der ganzen
Welt stark nachgefragt. Die EU Access Programme,
die Nutzern aus europäischen Ländern den Zugang zu
unserer nationalen Infrastruktur ermöglichen, sind an
allen drei HGF Reaktoren stark überbucht. Gerade die
in der Neutronenstreuung bedeutenden Nationen, wie
USA, Frankreich, Großbritannien, Spanien oder Italien
haben einen großen Anteil an der Nutzung (jeweils
zwischen 5 % und 10 %).
Netzwerke
Aufgrund wissenschaftlicher Qualität und methodischer
Kompetenz sind deutsche Gruppen gefragte Partner in
internationalen Forschungsverbünden und Netzwerken,
oft auch an führender Position. Beispielsweise spielt
im EU „Network of Excellence“ SOFTCOMP, das der
Erforschung von Kompositsystemen weicher Materie
gewidmet ist, die Neutronenstreuung als Methode eine
wichtige Rolle. Das Netzwerk wird von einer deutschen
Gruppe koordiniert. Ähnliches gilt im Bereich der
Methodenentwicklung. Unter dem Dach der EU-„Integrated
Infrastructure Initiative for Neutron and Muon
Science“ NMI3 ist nicht nur das ACCESS Programm
beheimatet, an dem alle deutschen Zentren beteiligt
sind. Vielmehr gibt es eine Reihe von methodenorientierten
Forschungsnetzwerken, an denen deutsche
Wissenschaftler großen Anteil haben und die teilweise
von deutschen Gruppen koordiniert werden, wie z. B.
bei der Detektorentwicklung oder den Methoden der
polarisierten Neutronenstreuung. Ein Beispiel für ein
weltweites Netzwerk ist ICANS (International Collaboration
for Advanced Neutron Sources), bei dem deutsche
Wissenschaftler Mitbegründer waren. Und nicht
zuletzt trägt das KFN als nationale Nutzervertretung
nicht nur wesentlich zur europäischen Nutzerorganisation
ENSA (European Neutron Scattering Association)
bei, sondern hat sie auch mitinitiiert.
62 Internationale Stellung 63

Nutzergemeinde,
Zugang zu den Neutronenquellen
und Forschungsförderung
64 65

Verbundcharakter
In der Forschung mit Neutronen hat sich in Deutschland
eine enge Verbindung zwischen den Großforschungseinrichtungen,
die die Neutronenquellen betreiben, und
den Nutzergruppen - vorwiegend von Hochschulen - zu
beiderseitigem Vorteil herausgebildet und bewährt.
Diese Verbindung manifestiert sich in der gemeinsamen
Weiterentwicklung von Methoden und dem Bau und
Betrieb von Geräten. Ein Beispiel intensiver Verknüpfung
ist gegeben durch den Aufbau der Instrumentierung
an der neuen Forschungsneutronenquelle FRM-II,
die der Technischen Universität München, TUM,
angegliedert ist. Hierzu haben Gruppen von Universitäten
und Instituten der Max-Planck-Gesellschaft und
der Helmholtz-Gemeinschaft aus ganz Deutschland
beigetragen. Das Instrument der BMBF-geförderten
Verbundforschung hat wesentlich dazu beigetragen,
dass durch die Mitwirkung der Hochschulgruppen die
Möglichkeiten der Forschung mit Neutronen in vielen
Wissenschaftsfeldern erkannt worden sind. Das breite
Spektrum erstreckt sich von den Grundlagenfächern
Physik, Chemie, Biologie, Geowissenschaften bis hin
zu den Ingenieurdisziplinen Materialwissenschaft und
Werkstofftechnik.
Ausbildung
Durch das an den Hochschulen vorhandene Knowhow
werden – wiederum im Zusammenwirken mit den
„professionellen Neutronenforschern“ aus den Zentren
- Studierende und junge Wissenschaftler informiert und
ausgebildet, damit sie in der Lage sind, Neutronen für
Fragestellungen ihrer Forschungsprojekte einzusetzen.
Zu diesem Angebot gehören spezielle Kurse und Praktika,
die an allen Zentren angeboten werden. Durch ihre
Verbindungen zu den Hochschulen können wiederum
die Großforschungseinrichtungen Doktoranden gewinnen.
In Deutschland haben sich regionale Netzwerke
mit speziellen Einzugsgebieten im Umfeld der Zentren
der Helmholtz-Gemeinschaft, GKSS, HMI, FZJ, sowie
für den FRM-II entwickelt. Für die erforderliche ständige
Erneuerung und Weiterentwicklung der Nutzerschaft
im Bereich der Forschung mit Neutronen sowie für die
Ausbildung der Nachwuchswissenschaftler sind diese
Verknüpfungen zwischen Hochschulen und Zentren von
großer Bedeutung
Für Forschergruppen mit Doktoranden und Nachwuchswissenschaftlern
ist eine planbare längerfristige
Perspektive mit verlässlichem Zugang zu
Messmöglichkeiten entscheidend. Hierzu gehört
insbesondere eine auf die Belange der Nutzer von
Großgeräten zugeschnittene Forschungsförderung. Aus
Sicht des KFN sollte das hocheffi ziente Instrument der
BMBF-Verbundforschung zur optimalen Nutzung der
Großgeräteinfrastruktur ausgebaut werden.
Erschließung neuer Forschungsthemen
„Gelegentliche Nutzer“, die nur hin und wieder Experimente
mit Neutronen machen, müssen auf eine
leistungsfähige Instrumentierung zugreifen können
und sind dabei auf die kompetente Unterstützung
der Geräteverantwortlichen angewiesen. Es handelt
sich hier um eine wissenschaftliche Zusammenarbeit
zwischen Partnern mit manchmal sehr unterschiedlichen
Spezialgebieten, deren Erfolg für die Qualität der
Forschungsergebnisse entscheidend ist. Gelegentliche
Nutzer sind besonders wichtig im Zusammenhang mit
dem Erschließen neuer Themen für die Forschung mit
Neutronen. In diesem Prozess können sich Arbeitsgruppen
herausbilden, die sich intensiver der Methode der
Neutronenstreuung zuwenden. Das KFN appelliert an
die Universitäten, diesen Aspekt bei Neuberufungen zu
berücksichtigen.
KFN-Umfrage
Um ein aktuelles Bild der Nutzung von Neutronen
durch deutsche Wissenschaftler zu erhalten, wurden im
Frühjahr 2004 vom KFN die Nutzer befragt [7]. 900
Wissenschaftler wurden angeschrieben, der Rücklauf
lag mit 40 % weit über dem vergleichbarer Umfragen.
Die Ergebnisse können mit wenigen Einschränkungen
als repräsentativ angenommen werden und sind
vollständig im Anhang wiedergegeben. Im Folgenden
werden bestimmte Aspekte herausgestellt (z. T. im Vergleich
zur Umfrage der European Neutron Scattering
Association (ENSA) aus dem Jahre 1998 [8]).
Material.
19 %
Andere
4 %
Biophysik
2 %
Bio.
3 %
Ing.
4 %
Chemie
13 %
Geo.
4 %
Kristallo.
10 %
Physik
41 %
„professionelle“
Nutzung
(75-100 %)
28 %
häufige
Nutzung
(50-75 %)
17 %
gelegentliche
Nutzung
(25-50 %)
17 %
seltene
Nutzung
(0-25 %)
38 %
Abb. 5.1. Links: Verteilung der deutschen Neutronennutzer
auf verschiedene Wissenschaftsdisziplinen;
rechts: Intensität der Neutronennutzung nach dem zeitlichen
Umfang, den Neutronenexperimente am Gesamtforschungsprogramm
haben.
Interdisziplinarität
Die Verteilung der Nutzer auf unterschiedliche Fachgebiete
(Abb. 5.1 links) spiegelt die Interdisziplinarität
der Forschung mit Neutronen wider. Die größte Gruppe
stellen die Physiker dar, weiter sind Materialwissenschaftler,
Chemiker und Kristallographen gut repräsentiert.
Der Anteil der Chemiker ist in den letzten Jahren
signifi kant gesunken, was mit einer Reduzierung oder
Neuausrichtung von Festkörperchemie-Lehrstühlen in
Deutschland zu erklären ist.
Forschungsintensität hat zugenommen
In der Nutzergemeinde hat die Intensität der Forschung
mit Neutronen deutlich zugenommen (Abb. 5.1 rechts):
45 % der Befragten nutzen Neutronen für mehr als die
Hälfte ihrer Forschungstätigkeit (1998 waren es nur
26 %). Der größte Teil davon sind „professionelle Neutronenforscher“,
die meist an Zentren angesiedelt sind.
Nach wie vor ist die größte Gruppe die der „gelegentlichen
Nutzer“, für die Neutronen eine ergänzende, aber
wichtige Sonde sind. Sehr viele Wissenschaftler aus
allen Nutzergruppen setzen komplementäre Methoden
für ihre Forschung ein. Intensive Betreuung ist entscheidend,
um insbesondere die gelegentlichen Nutzer an
Methoden der Forschung mit Neutronen heranzuführen
und sie langfristig für diese zu interessieren.
Neutronenquellen
An der Nutzung verschiedener Quellen hat sich seit der
letzten Umfrage wenig geändert. 29 % der Experimente
werden am ILL durchgeführt, 61 % an Mittelfl ussquellen,
wobei das Hauptgewicht auf den deutschen Reaktoren
in Jülich, Berlin und Geesthacht liegt. Die restlichen
10 % verteilen sich auf: Orphée (Saclay, Frankreich),
SINQ (PSI, Schweiz), ISIS (RAL, Großbritannien) und
IBR-II (Dubna, Russland). ISIS ist derzeit die weltbeste
Spallationsquelle.
Struktur der Nutzergemeinde
Für zukünftige Planungen ist es wichtig, die Struktur
der Nutzergemeinde möglichst gut zu kennen. Gut die
Hälfte der Neutronennutzer arbeitet an Universitäten,
knapp ein Drittel an Forschungszentren mit Neutronenquelle.
Erfahrene Neutronennutzer sind in ähnlich
hohem Umfang (über 55 %) an allen Forschungseinrichtungen
vertreten. Die Ausbildung des wissenschaftlichen
Nachwuchses (Doktoranden) wird besonders von
den Hochschulen geleistet, während Forschungszentren
demgegenüber mehr Postdoc-Stellen anbieten können.
Diplomanden sind in der Umfrage vermutlich unterrepräsentiert.
Sie konnten nur indirekt von der Nutzerumfrage
erfahren, da sie nicht im Verteiler erfasst
waren. Die Altersverteilung ist in der Abbildung 5.2
dargestellt. Die Altersgruppe 30 bis 40 dominiert, sie
besteht sowohl aus Doktoranden als auch Postdocs und
erfahrenen Nutzern. Frauen, die an der Umfrage teilgenommen
haben, sind im Schnitt jünger als die Männer.
Es ergibt sich eine sehr gesunde Altersverteilung: laut
Umfrage sind 55 % der Nutzer jünger als 40 Jahre.
Dieser Wert berücksichtigt nicht, dass Diplomanden
unterrepräsentiert sind.
20-29
14 %
>69
1 %
30-39
40 %
60-69
10 %
50-59
14 %
Abb. 5.2. Altersstruktur der deutschen Neutronennutzergemeinde.
40-49
21 %
Zugang zu den Quellen
Die Forschung an Großgeräten wie an Neutronenquellen
benötigt Vorschlags- und Auswahlverfahren, um die
vorhandene Messzeit an unterschiedlichen Experimenten
nach wissenschaftlicher Qualität zu verteilen. Die
Messzeitanträge („Proposals“) werden in Expertengremien
begutachtet. Auf der Basis der Gutachten wird die
verfügbare Messzeit an die Nutzer verteilt. Das bedeutet
u. U. relativ lange Vorlaufzeiten, die insbesondere
bei Diplom- und Doktorarbeiten frühzeitig berücksichtigt
werden müssen. Für industrielle Nutzer gibt es in
der Regel gesonderte Programme, die einen schnelleren
Zugang ermöglichen. Im Einzelnen gibt es folgende
Nutzungsmodalitäten an deutschen Neutronenquellen
und am ILL:
• Am Hahn-Meitner-Institut, am FRM-II und am
ILL können zweimal pro Jahr Proposals eingereicht
werden. Am HMI können nach Begutachtung für
Doktorarbeiten spezielle langfristigere Messzeitkontingente
zur Verfügung gestellt werden.
66 Zugang und Förderung
67

• Proposals für Experimente in Jülich und Geesthacht
können kontinuierlich eingereicht werden. Mit dem
Umzug der FZJ-Instrumente an den FRM-II wird
die Messzeitvergabe an diesen Instrumenten auf ein
halbjähriges Verfahren umgestellt. Für Proposals aus
dem EU-Ausland gibt es in Jülich drei Termine im
Jahr, in Geesthacht können auch diese kontinuierlich
eingereicht werden.
• An allen Zentren wird weniger als 40 % der Messzeit
intern genutzt.
• Die BMBF-Verbundinstrumente stehen zu 60 - 70 %
allen auswärtigen Nutzern zur Verfügung.
KFN im Internet
Der Internetauftritt des KFN gibt neuen und
potentiellen Nutzern Orientierungshilfen
(www.neutronenforschung.de). Diese bestehen in einem
Überblick über die Anwendungsfelder der Forschung
mit Neutronen, die Instrumentierung und die verschiedenen
Nutzerprogramme, an nationalen und internationalen
Quellen. Gemeinsam mit dem NMI3-Programm
der EU wird ein webbasiertes Formular erarbeitet, um
Nutzern gezielt die für ihre Problemstellung am besten
geeigneten Instrumente vorzuschlagen.
Forschungsförderung
Die Forschungsinfrastuktur wird an den Zentren durch
institutionelle Förderung von Bund und Ländern der
Forschergemeinde zur Verfügung gestellt. Seit dem
6. Rahmenprogramm der EU tritt die Europäische Union
als zusätzlicher Förderer von Forschungsinfrastruktur
in Erscheinung.
Die Nutzung der Großforschungseinrichtungen durch
Hochschulgruppen benötigt eine spezifi sche Projektförderung,
weil an den Universitäten hierfür kaum Mittel
zur Verfügung stehen. Für Beteiligung am Aufbau von
Instrumenten, dem Betrieb und der Nutzung, sowie für
die Durchführung wissenschaftlicher Projekte existieren
folgende Fördermöglichkeiten, über welche der
KFN-Internetauftritt weitere Informationen bereitstellt.
• Für die Instrumentierung und Methodenentwicklung:
Hierfür hat sich in Deutschland über
die Jahre ein hervorragendes, weltweit einmaliges
Förderinstrument herausgebildet, die BMBF-Verbundforschung,
siehe unten. Die Methodenentwicklung
wird in zunehmendem Maße auf internationaler
Ebene durch Netzwerke koordiniert. Hierfür stellt die
EU im derzeitigen 6. Rahmenprogramm das Instrument
der „Integrated Infrastructure Initiatives“ zur
Verfügung. Deutschland ist im Bereich der Neutronen
an verschiedenen Programmen, zum Teil an führender
Stelle, beteiligt.
• Für die Durchführung der Experimente: Reise- und
Aufenthaltskosten können von den HGF-Zentren für
deutsche Nutzer übernommen werden. Eine entsprechende
Regelung gibt es für den FRM-II bisher nicht.
Nutzer aus europäischen Ländern werden über das
EU-Access Programm gefördert. Experimente im
Rahmen von wissenschaftlichen Projekten können
durch die DFG fi nanziert werden.
• Für die wissenschaftlichen Projekte: Es existiert eine
klare Abgrenzung zwischen BMBF-Verbundforschung
und DFG-Förderung: wissenschaftliche Projekte,
die nicht direkt mit Methodenentwicklung zu
tun haben, können nur noch durch die DFG fi nanziert
werden. Dieses Instrument ist von großer Bedeutung
für die Ausbildung und Qualifi kation des wissenschaftlichen
Nachwuchses (Doktoranden). In Zukunft
steht zu erwarten, dass es auch auf europäischer
Ebene über das „European Research Council“, ERC,
analoge Programme geben wird. Bereits heute gibt es
EU-Netzwerke „Networks of Excellence“, bei denen
die Methode der Neutronenstreuung eine wichtige
Rolle spielt. Die HGF hat verschiedene Instrumente
(„virtuelle Institute“, Nachwuchsgruppen) entwickelt,
um die Zusammenarbeit zwischen Zentren und Hochschulgruppen
zu fördern.
Verbundforschung
Die BMBF-Verbundforschung ermöglicht es universitären
und in beschränktem Umfang auch außeruniversitären
Gruppen, Methoden an Großgeräten zu entwickeln,
Instrumente aufzubauen, in Betrieb zu nehmen und zu
nutzen.
Die Verbundförderung war seit jeher ein hocheffi zientes
Förderinstrument für die Forschung an Großgeräten im
Allgemeinen, mit dem bei Einsatz von relativ bescheidenen
Mitteln Hervorragendes erreicht wurde. Sie hat
bewirkt, dass Deutschland eine international herausragende
Stellung auf den entsprechenden Gebieten errungen
hat und sich an Universitäten Kompetenzzentren
herausgebildet haben.
In der Bekanntmachung der Richtlinien für die Verbundforschung
im Bereich „Erforschung kondensierter
Materie mit Großgeräten“ vom 3. April 2003 defi niert
das BMBF den Zweck dieser Fördermaßnahme: „Das
forschungspolitische Ziel der Maßnahme besteht darin,
die im internationalen Vergleich hervorragende Position
der Wissenschaft bei der Erforschung der kondensierten
Materie in Deutschland und der entsprechenden Großgeräte
zu festigen und den Bildungs- und Forschungsstandort
Deutschland nachhaltig zu stärken.“
Die Verbundforschung ist ein wirkungsvolles und
erfolgreiches Mittel zur Erreichung dieses Ziels, indem
sie den Ausbau der Instrumentierung an den Großgeräten
- und damit die Festigung ihrer Position im internationalen
Vergleich - und die Förderung von Bildung
und Forschung in ausgewogener Weise miteinander
verknüpft. Universitätsgruppen, die für die Heranbildung
des wissenschaftlichen Nachwuchses in erster
Linie verantwortlich sind, werden durch die Förderung
bestimmter Forschungsthemen oder neuer methodischer
Ansätze, die zu ihrer Verwirklichung große Anlagen
benötigen, an die Nutzung der Großgeräte herangeführt.
Damit steigen die Effektivität der Forschung
und zugleich die „Rentabilität“ der Investitionen in die
Großgeräte. Diese Förderung ist effi zient, weil dabei die
Eigeninteressen der Verbundpartner – Großforschungszentren
und Universitätsgruppen – vernünftig austariert
sind. Aus Sicht des KFN muss diese Fördermaßnahme
vorrangig und nachhaltig weitergeführt werden, insbesondere
mit dem Ziel, Universitätsgruppen eine längerfristige
Perspektive bei der Nutzung von Großgeräten
zu bieten.
68 Zugang und Förderung
69

Quellen für
Neutronenstrahlung:
Forschungsreaktoren
Einleitung und Überblick
Den Neutronennutzern in Deutschland steht mit dem
Institut Laue-Langevin in Grenoble die weltweit
stärkste kontinuierliche Neutronenquelle zur Verfügung.
Daneben existiert in Europa ein ganzes Netzwerk von
Mittelfl ussquellen (s. Abb. 6.1), die in Zukunft von der
modernsten kontinuierlichen Quelle, dem FRM-II, angeführt
werden. Dieser wird an manchen Experimenten
Flüsse vergleichbar mit denen des ILL aufweisen.
Neutronenlandschaft
Laut Nutzerumfrage des KFN vom Frühjahr 2004 werden
von deutschen Nutzern die meisten Experimente
am Hochfl ussreaktor des ILL durchgeführt. Darauf folgen
die drei deutschen Mittelfl ussreaktoren des FZJ, des
HMI und der GKSS, die zusammen die Hauptlast der
Experimente tragen. Mit der beschlossenen Stilllegung
des FRJ-2 und voraussichtlich des FRG-1 zu Beginn des
nächsten Jahrzehnts muss in Zukunft der neue Reaktor
in Garching, FRM-II, die Funktion als wichtigste nationale
Neutronenquelle übernehmen und neben dem HMI
die Hauptlast der Nutzerbetreuung tragen. Neben diesen
nationalen Quellen konzentrieren sich die Experimente
deutscher Nutzer auf die folgenden europäischen Quellen:
LLB, SINQ, ISIS und Dubna. An diesen Quellen
existiert zum Teil komplementäre Instrumentierung
bzw. Expertise der Instrumentverantwortlichen. Neutronennutzer
arbeiten für gewöhnlich in größeren internationalen
Kollaborationen und suchen sich die besten
Bedingungen für die jeweilige Fragestellung.
Arbeitsteilung
Zwischen den Hochfl ussquellen und den Mittelfl ussquellen
hat sich in Europa eine sehr gute Arbeitsteilung
etabliert: da die Forschung mit Neutronen im allgemeinen
fl usslimitiert ist, lassen sich viele Experimente am
besten an den Hochfl ussquellen durchführen. Allerdings
gibt es an den Mittelfl ussquellen Instrumente
und Probenumgebungen, die im weltweiten Vergleich
für ganz bestimmte Anwendungen führend oder auch
einmalig sind, etwa die neue fokussierende Kleinwinkelanlage
KWS-3 in Jülich oder das kombinierte
Flugzeit- und Spinecho-Instrument SPAN am HMI. Die
Instrumente an Hochfl ussquellen sind besonders stark
nachgefragt, was zu sehr kurzen und damit fehlerintoleranten
Messzeiten führt. Daher sind an diesen
Quellen sowohl die Möglichkeit der Ausbildung des
Nachwuchses als auch die Möglichkeit zur Methodenentwicklung
sehr stark eingeschränkt. Diese Aufgaben
erfüllen in hervorragender Weise die Mittelfl ussquellen
- zusätzlich zur Bereitstellung von Neutronenstrahlung
für ein breites Spektrum von Experimenten. Daneben
1200
FRG-1
GKSS
BENSC
HMI
FRJ-2
FZJ
ISIS
Rutherford
LLB
Paris
IRI
Delft
600
10
30
160
300
800
70
20
80
FRM-II
TUM
FLNP
Dubna
NPL-NRI
Rez/Prag
ILL
Grenoble
150
130
SINQ
PSI
BNC
Budapest
Abb. 6.1. Anzahl der Neutronennutzer (vertikale Balken) gemäß der ENSA-Umfrage von 1998 und wichtigste Neutronenquellen
in Europa.
70
Neutronenquellen
71

Andere europäische
Zentren
358
Mittelfluss
(FZJ, HMI, GKSS)
919
Außereuropäische Zentren
57
Abb. 6.2. Verteilung der Experimente an den
verschiedenen Neutronenquellen.
Hochfluss
(ILL)
554
sind sie sehr wichtig für orientierende Messungen zur
Optimierung der Messstrategie und Messungen mit
aufwendigen Probenumgebungen, sowie in-situ Probenpräparation
etc. In Europa wird ca. 60 % der Forschung
mit Neutronen an Mittelfl ussquellen durchgeführt [6].
Dort werden viele herausragende wissenschaftliche
Ergebnisse erzielt.
Mittelflussquellen
Wissenschaftliche Arbeiten, wie Diplom- oder Doktorarbeiten,
lassen sich nur durchführen, wenn eine
gewisse kontinuierliche Versorgung an Messzeit gewährleistet
wird. Die Spitzenquellen können aufgrund
der hohen Anfrage diese Aufgabe nur sehr beschränkt
erfüllen. Die Messzeiten an den Mittelfl ussquellen sind
im Allgemeinen etwas länger und erlauben ein Nachmessen,
ein sehr wichtiger Aspekt für die Nachwuchsausbildung.
Sehr viele methodische Entwicklungen sind
an den Mittelfl ussquellen gelaufen, bevor sie auf die
Hochfl ussquellen übertragen wurden. Beispiele hierfür
sind die Entwicklung der Kleinwinkelstreuung und
der hochaufl ösenden Rückstreuspektroskopie in Jülich,
der magnetischen Streuung bei extrem hohen Feldern
am HMI oder von Geschwindigkeitsselektoren für die
Kleinwinkelstreuung bei GKSS, die in der Folge dann
vom ILL in Grenoble übernommen wurden.
Während die Mittelfl ussquellen ursprünglich eher einen
regionalen Einzugsbereich hatten, hat sich dieses Bild
inzwischen drastisch gewandelt, insbesondere nachdem
sehr wichtige ältere Quellen, wie der Reaktor in RISØ,
in Studsvik und 2006 der Reaktor in Jülich, abgeschaltet
wurden bzw. werden. Die Bedeutung der Forschung
mit Neutronen wird inzwischen auch in den europäischen
Ländern ohne eigene leistungsfähige Quelle
erkannt, wie Portugal, Spanien, Italien, Polen, etc. Im
Rahmen des EU Access Programms bewerben sich
Nutzer aus diesen Ländern zunehmend um Messzeit
an den Mittelfl ussquellen. Diese Internationalisierung
führt zu einem Zufl uss von neuen Ideen zu den deutschen
Quellen und zum Aufbau von internationalen
Kollaborationen, die von den jeweiligen Großgeräten
ausgehen. Dieser Aspekt ist extrem wichtig für die
Lebendigkeit der Erforschung kondensierter Materie in
Deutschland.
HMI
Der Forschungsreaktor BER II des HMI, der 1973 in
Betrieb gegangen war, wurde 1985 still gelegt und in
den folgenden sechs Jahren vollständig erneuert. Seit
1992 steht nun ein moderner Mittelfl ussreaktor (Neutronenfl
ussdichte: 1,2 ∙ 10 14 n cm -2 s -1 ) mit thermischen
Strahlrohren, kalter Quelle und bis vor kurzem einer,
jetzt zwei Neutronenleiterhallen der nationalen und
internationalen Neutronenstreugemeinde zur Verfügung.
Zur Instrumentierung am neuen Reaktor und zur
Organisation des Nutzerbetriebes wurde das Berliner
Neutronenstreuzentrum BENSC am HMI eingerichtet.
BENSC verfügt über ein nahezu komplettes Spektrum
an Neutronenstreuinstrumenten. 14 Geräte werden
im regulären Gästebetrieb angeboten, wobei 70 % der
Messzeit an externe Nutzer über ein international besetztes
Auswahlgremium vergeben wird. Weitere sechs
Geräte stehen externen Nutzern auf spezielle Anfrage
zur Verfügung. Hinzu kommen Messplätze für die
Neutronenaktivierungsanalyse und mehrere Bestrahlungsplätze.
Eine Station für Neutronentomographie ist
zurzeit im Aufbau. Mit dieser Ausstattung und seiner
Spezialisierung auf Hochfeldprobenumgebung entwickelte
sich BENSC zu einem international beachteten
Neutronenstreuzentrum mit dominant hohem Anteil an
ausländischen Messgästen.
Methoden- und Geräteentwicklung
Eine besondere Stärke von BENSC liegt in der Entwicklung
und Bereitstellung von extremer Probenumgebung
für höchste Magnetfelder (bis zu 17 T) und tiefste
Temperaturen (routinemäßig bis herab zu 30 mK).
Weitere Stärken liegen in der Entwicklung innovativer
neutronenoptischer Systeme für Strahlextraktion,
Strahlführung und Neutronenpolarisation sowie in
der Entwicklung neuer Instrumentkonzepte für kontinuierliche
und gepulste Quellen. Beispiele dafür sind
das neuartige Multispektral-Extraktionssystem für die
zweite Neutronenleiterhalle, das gleichzeitig thermische
und kalte Neutronen in einen Leiter einkoppelt, sowie
die Weiterentwicklung der Spinecho-Methode (Weitwinkel-Spinechogerät
SPAN) und der TOF-Technik
für kontinuierliche Quellen („TOF-Monochromator“,
Multiplexing-Choppersysteme). Insbesondere für die
Instrumentoptimierung an gepulsten Quellen wurde die
Simulationssoftware VITESSE entwickelt.
Forschungsschwerpunkte
Schwerpunkte der Forschung bei BENSC liegen auf
dem Gebiet des Magnetismus und der Materialwissenschaften
sowie in zunehmendem Maße auf dem Gebiet
der weichen Materie, für das zur Zeit eine zusätzliche
Abteilung eingerichtet wird. Durch komplementäre Nutzung
der Synchrotronstrahlung an eigenen Beamlines
bei der Berliner Synchrotronanlage BESSY werden diese
Forschungsrichtungen weiter gestärkt. Zusätzlich beteiligt
sich das HMI am FRM-II mit einem Instrument
für industrienahe Eigenspannungs- und Texturanalyse
(STRESSPEC). Nutzung der vorhandenen Anlagen
durch die Industrie wird besonders unterstützt.
Die Zukunft
Für künftige Aufgaben als zweites nationales Zentrum
neben dem FRM-II rüstete sich das HMI durch den
Bau einer zweiten Leiterhalle. Damit kann die führende
Stellung von BENSC auf dem Gebiet der Hochfeldexperimente
weiter ausgebaut werden: Ein 25 T Kryomagnet
in Kombination mit einem neuen Flugzeitdiffraktometer
(EXED) ermöglicht Neutronenstreuung bei höchsten
Magnetfeldern. EXED wird durch das neu entwickelte
Multispektral-Extraktionssystem mit einem Neutronenstrahl
hoher Intensität und besonders breitem Wellenlängenband
versorgt. Es eröffnet bisher unerreichte
Möglichkeiten in der hochaufl ösenden Neutronendiffraktion.
Von der Strahlqualität eines ballistischen
Leiters wird das weltweit einzigartige Weitwinkel-Spinechogerät
(SPAN) profi tieren. Die Instrumentierung in
der neuen Halle wird komplettiert durch eine neuartige
hochaufl ösende Kleinwinkelstreuanlage (VSANS).
72 HMI
73

GKSS
Das GKSS Forschungszentrum betreibt seit 1958 den
Forschungsreaktor FRG-1. Im Rahmen laufender Modernisierungen
wurde eine kalte Quelle für langwellige
Neutronen sowie eine Leiterhalle gebaut, der nukleare
Brennstoff von hoch- auf niedrig angereichertes Uran
umgestellt und der Neutronenfl uss auf 1,4 ∙ 10 14 n/cm 2
erhöht. Mit 250 Betriebstagen im langjährigen Jahresdurchschnitt
bietet der FRG-1 eine besonders hohe
Verfügbarkeit. Rund 60 % der Strahlzeit wird externen
Nutzern zur Verfügung gestellt. Strahlzeit kann jederzeit
beantragt werden, um nach externer Begutachtung
einen möglichst schnellen Zugang zu gewährleisten.
Instrumente
Es werden 10 Instrumente betrieben, von denen etwa
die Hälfte für die ingenieurwissenschaftliche Materialforschung
optimiert ist. Damit bietet GKSS externen
Nutzern komplementär zur Schwerpunktbildung anderer
Zentren ein besonders umfassendes und anwendungsnahes
Angebot an:
• Eigenspannungs- und Texturmessungen an Werkstoffen
und Schweißnähten, z. B. für neue Fertigungsverfahren
für den Airbus A 380 oder an leichteren
Bauteilen aus Mg für den Fahrzeugbau.
• Kleinwinkelstreuung, z. B. zur Untersuchung von
festigkeitssteigernden Ausscheidungen in Hochleistungsstählen
oder neuartigen Leichtbauwerkstoffen
für Flugzeugturbinen
• Neutronenradiographie und Tomographie, z. B. zur
Qualitätssicherung von Teilen der Ariane-V Rakete
im Rahmen von Industrieaufträgen.
Darüber hinaus stehen Refl ektometer zur Untersuchung
von magnetischen und biologischen Nanostrukturen,
z. B. von magnetischen Speichermedien mit höherer
Speicherdichte oder von biologischen Membranen im
Hinblick auf die Wirksamkeit neuartiger Antibiotika,
zur Verfügung. Eine zweite Kleinwinkelstreuanlage
wird vornehmlich für die Untersuchung weicher Materie,
wie z. B. Kolloidgemischen oder Formgedächtnispolymeren
für die regenerative Medizin, angeboten.
Industrielle Nutzung
Aufgrund der Anwendungsnähe seiner Instrumentierung
sowie der Eigenforschung bei GKSS hat der
FRG-1 einen besonders hohen Anteil industrieller Nutzung
und Kollaborationen.
Methodenentwicklung
GKSS hat wesentliche Beiträge zur Weiterentwicklung
von Methoden der Neutronenforschung geleistet. So
wurde für die Untersuchung von biologischen Makromolekülen
ein neues Verfahren zur Strukturaufklärung
mittels Kernspinpolarisation entwickelt, Kleinwinkelstreuung
mit polarisierten Neutronen erstmals
eingeführt und die heute weltweit in den meisten
Kleinwinkelstreuanlagen eingesetzten Geschwindig
keitsselektoren zur Neutronenmonochromatisierung
entwickelt.
Die Zukunft
Der Betrieb des FRG-1 ist bis Ende 2009 gesichert.
In Vorbereitung auf eine mögliche Abschaltung nach
Ende 2009 plant GKSS ein verstärktes Engagement am
FRM-II und evtl. am ILL. GKSS wird daher auch im
kommenden Jahrzehnt Neutroneninstrumentierung in
seinen o. g. Kompetenzfeldern anbieten. Als Nukleus
der GKSS-Außenstelle am FRM-II betreibt GKSS bereits
das innovative Hochfl ussrefl ektometer REFSANS,
das neue Möglichkeiten, u. a. bei der Untersuchung von
Flüssigkeitsgrenzfl ächen, eröffnet.
FZJ
Seit 1962 betreibt das Forschungszentrum Jülich den
Forschungsreaktor FRJ-2, der mit einer Flussdichte von
2,9 ∙ 10 14 n/cm 2 s nach dem FRM-II die leistungsfähigste
deutsche Neutronenquelle ist. In der Reaktorhalle und
einer externen Leiterhalle für kalte Neutronen befi nden
sich insgesamt 17 Strahlexperimente, die das ganze
Spektrum von Streuinstrumenten abdecken, von der
Diffraktion über Kleinwinkelstreuung und Spektroskopie
bis hin zu höchstauflösenden Spinecho- oder
Rückstreuinstrumenten. Alle Instrumente stehen externen
Nutzern über ein Antragsverfahren zur Verfügung.
Etwa 60 % der Experimente werden durch externe
Nutzergruppen durchgeführt, der Rest dient der Eigenforschung.
Methodenentwicklung
Traditionell liegt eine große Stärke des Jülicher Zentrums
bei der Methodenentwicklung. Viele Instrumente,
die heute zum Standardrepertoire an modernen Quellen
gehören, wurden erstmalig in Jülich realisiert, so
etwa die erste Neutronenkleinwinkelstreuanlage, ein
dediziertes Instrument zur Messung diffuser Neutronenstreuung
oder – nachdem das Prinzip am FRM-I
gezeigt wurde – ein Rückstreuspektrometer. Neuere
Entwicklungen betreffen die erste Kleinwinkelanlage
mit fokussierender Optik, Refl ektometrie mit Polarisationsanalyse
für offspekuläre Streuung, vektorielle
Polarisationsanalyse für Flugzeitinstrumente, Phasenraumtransformation
etc. In Jülich gebaute Komponenten,
wie Szintillationsdetektoren oder schnell drehende
magnetgelagerte Chopper, haben weltweite Verbreitung
gefunden. Schließlich ebneten Jülicher Arbeiten den
Weg zu den MW-Spallationsquellen, indem hier wesentliche
Fortschritte, etwa beim Targetdesign, erzielt
wurden.
Wissenschaftliche Schwerpunkte
Die wissenschaftliche Kompetenz der Neutronenstreugruppen
in Jülich liegt einerseits auf dem Gebiet
der weichen Materie, mit einem Schwerpunkt bei der
Polymerphysik, andererseits im Bereich des Magnetismus
mit Schwerpunkten im Nanomagnetismus und bei
korrelierten Elektronensystemen. Die Neutronenstreuung
ist eine tragende Säule im Methodenspektrum des
Departments „Institut für Festkörperforschung“. Beide
Forschungsschwerpunkte sind eingebettet in das HGF-
Programm „Kondensierte Materie“.
Die Zukunft
Der Forschungsreaktor FRJ-2 soll im Mai 2006 stillgelegt
und anschließend rückgebaut werden. Wegen
der grundlegenden Bedeutung der Streumethoden in
der Forschung kondensierter Materie beabsichtigt das
Forschungszentrum Jülich, die Neutronenstreuung
zu stärken und die in Jülich vorhandene methodische
Kompetenz an anderen Quellen einfl ießen zu lassen. Zu
diesem Zweck wird das „Jülich Centre for Neutron Science“
gegründet, mit Außenstellen am FRM-II, am ILL
und an der SNS. In Garching ist der Betrieb von sieben
Streuinstrumenten mit entsprechender Infrastruktur
geplant. Die Jülicher Instrumente ergänzen die Instrumentierung
am FRM-II optimal, indem sie Lücken
schließen im Bereich der Kleinwinkelstreuung, der
höchstaufl ösenden Spektroskopie und der Polarisationsanalyse.
Auch in Garching wird das FZJ sein bewährtes
Konzept fortführen und über die Bereitstellung von
Strahlzeit an den Neutroneninstrumenten hinaus Fachwissen
und spezialisierte Laboreinrichtungen in den
Kompetenzfeldern des Instituts für Festkörperforschung
anbieten. An der SNS wird das FZJ ein Spinecho-Spektrometer
der nächsten Generation mit bisher unerreichten
Werten bzgl. Auflösung und dynamischem Bereich
bauen. Durch diese Investition in die dortige Infrastruktur
werden deutsche Nutzer zumindest in beschränktem
Rahmen über das FZJ einen Zugang zu dieser Quelle
der nächsten Generation erhalten.
74 GKSS / FZJ
75

FRM-II
Der FRM-II hat ein einziges zylinderförmiges Brennelement
mit ca. 8 kg hochangereichertem Uran und
gestaffelter Urandichte von 1,5 – 3 g/cm 3 . Mit 20 MW
thermischer Leistung und einem ungestörten Fluss
thermischer Neutronen von 8 ∙ 10 14 n/cm 2 s bietet er das
weltweit beste Verhältnis von thermischer Leistung zu
Neutronenfl uss. Die Kühlung des Brennelements erfolgt
durch H 2
O, die Moderation durch einen D 2
O Moderator.
Ein Brennelementzyklus beträgt 52 Tage, max. fünf
Zyklen pro Jahr = 260 Tage können betrieben werden.
Die untermoderierte Kalte D 2
O-Quelle, die 2000 °C
warme Heiße Quelle und eine Konverteranlage für
unmoderierte schnelle Neutronen verschieben das
thermische Wellenlängenspektrum ins Optimum der
gewünschten Nutzung. 10 horizontale und 2 schräge
Strahlrohre ermöglichen den Austritt der Neutronen
zu den Experimentiereinrichtungen. Aus einem der
schrägen Strahlrohre wird mittels intensiver Gammastrahlung
und spontaner Paarbildung ein intensiver
thermischer Positronenstrahl mit einem Fluss von
10 8 - 10 9 p/cm 2 s extrahiert. Die Instrumente sind in der
Experimentierhalle rund um den Reaktorkern und in
einer Halle mit Neutronenleitern für kalte Neutronen
untergebracht.
Breites Spektrum
Die Strahlrohrinstrumente des FRM-II werden von
externen Expertengruppen betrieben, wobei 2/3 der
Strahlzeit durch ein unabhängiges Gutachtergremium
an allgemeine Nutzer vergeben werden. Für die Probenumgebung
stehen Kryostaten und Öfen für Temperaturen
zwischen 50 mK und 2000 °C und Magnetfelder bis
zu 14,5 Tesla zur Verfügung. Druckapparaturen sind
im Aufbau. Die Nutzung polarisierter Neutronen wird
durch HELIOS, einer leistungsfähigen Anlage zur Polarisation
von 3 He für annähernd alle Instrumente ermöglicht.
Ein industrielles Anwenderzentrum innerhalb des
FRM-II-Geländes fördert die industrielle Nutzung des
FRM-II, es werden sowohl Büro- als auch Laborflächen
zum Umgang mit Radioaktiva zur Verfügung gestellt.
Zukunft
Das Forschungszentrum Jülich wird zum Mai 2006
seine Neutronenquelle schließen, seine leistungsfähigsten
Neutronenstreuinstrumente zum FRM-II transferieren
und sich mit einer Außenstelle am Nutzerbetrieb
des FRM-II beteiligen. Mit der später vorgesehenen
Schließung der Geesthachter Neutronenquelle wird
ebenfalls die GKSS den Nutzerbetrieb durch weitere
Instrumente zur Materialforschung unterstützen. Bis
Ende 2006 wird hierzu an der Ostseite des FRM-II eine
weitere Neutronenleiterhalle in Kombination mit Büround
Laborräumen errichtet.
ILL
Das Institut Laue-Langevin wurde 1967 gegründet; sein
57 MW-Reaktor, der 1971 kritisch wurde, liefert mit ca.
1,5 ∙ 10 15 n/cm -2 s -1 den weltweit höchsten Fluss thermischer
Neutronen. Eine heiße Quelle, zwei kalte Quellen
mit 12 Neutronenleitern sowie ultrakalte Neutronen
erweitern das Spektrum zu hohen und niedrigen Energien
hin deutlich. Die Erneuerung des Reaktortanks in
den 90er Jahren und die gegenwärtigen umfassenden
Maßnahmen zur Erhöhung der Sicherheit (REFIT-Programm
bis 2006), insbesondere der Erdbebensicherheit,
versprechen eine hohe Zuverlässigkeit des Reaktors für
die kommenden Jahre.
Breites Spektrum
Für die Versorgung mit Neutronen ist ein ausgeklügeltes
System von Neutronenleitern, die Instrumente
in zwei großen Neutronenleiterhallen bedienen, von
zentraler Bedeutung. Derzeit stehen insgesamt 25 vom
ILL betriebene „öffentliche“ Instrumente zur Verfügung,
demnächst möglicherweise 30. Die Nutzung ist
über ein Proposalsystem geregelt. Zirka 750 Nutzerexperimente
werden in den 4½ 50-tägigen Reaktorzyklen
pro Jahr durchgeführt (bis Ende 2006 ausnahmsweise
nur 3 Zyklen). Zusätzlich zu den 25 öffentlichen
Instrumenten stehen 11 von externen Forschergruppen
betriebene Instrumente zur Verfügung.
Eine breit angelegte Modernisierung von Instrumenten
und Neutronenleitern - das im Jahr 2000 gestartete
Millenniumprogramm - führt bereits heute zu einem
mittleren Intensitätsgewinn von einem Faktor 5; ein
Faktor 15 wird angestrebt. Dabei sind auch andere
Qualitäten wie Auflösung, dynamischer Bereich, Polarisation
und Zuverlässigkeit Gegenstand der Verbesserungen.
Über 10 Millenniumsprojekte sind bereits zum
Vorteil der Nutzer erfolgreich abgeschlossen. Damit
dürfte sich die Attraktivität der Einrichtungen des ILL
auch in Zukunft weiter steigern. Wesentliche Basis
für diese moderne Instrumentierung sind ILL-eigene
Entwicklungen auf dem Gebiet der Detektoren, Monochromatoren,
Neutronenpolarisation, Probenumgebung
und Instrumentesteuerung. Auf vielen dieser Gebiete
hat das ILL eine führende Rolle erworben. Die Wissenschaftsdisziplinen
am ILL umfassen die Festkörperund
Materialforschung, Biologie und weiche Materie,
Chemie und Ingenieurswesen, Kern- und Teilchenphysik.
Auf allen Gebieten liefert das ILL Beiträge von
Weltklasse, die auch für die Forschung mit Neutronen
in Deutschland nicht wegzudenken sind.
Das ILL wird getragen von drei Gesellschafterländern
- von Frankreich, dem Vereinigten Königreich und
Deutschland - von denen der Hauptanteil der Finanzierung
erbracht wird. Sieben sogenannte „wissenschaftliche
Partner“ ergänzen das internationale Spektrum der
Partnerländer, dessen Erweiterung derzeit aktiv betrieben
wird.
Zukunft
Gegenwärtig läuft der ILL-Vertrag bis zum Jahr
2014. Der internationale Erfolg des ILL, die steigende
Nachfrage nach Neutronen am ILL und die vielen
Erneuerungsmaßnahmen sollten der Garant einer
Verlängerung um weitere 10 Jahre sein. Gemeinsam
mit ESRF und EMBL ist der Ausbau des gemeinsamen
Geländes zu einem großen multidisziplinären Campus
geplant. Den Nutzern wird mit der „Partnership for
Structural Biology“ und der „Facility for Materials
Engineering“ neuartige Unterstützung gegeben. Von
einem Flugzeitinstrument mit viel größerem Detektor
bis hin zur zeitaufgelösten Neutronentomographie sind
neue Instrumente im Bau. Kürzlich wurde eine neue
Dreidimensionale Polarisationsanalyse für inelastische
thermische Instrumente erfolgreich getestet. Diskutiert
wird eine generelle Verstärkung der Aktivitäten
des ILL auf dem Gebiet der kalten und ultrakalten
Neutronen.
76 FRM-II / ILL
77

Der Weg
in die Zukunft
Neue Instrumentierung und
Methodik
Die im Kapitel „Wissenschaftliches Potential der Forschung
mit Neutronen“ aufgeführten Beispiele belegen,
dass Neutronen durch ihre herausragenden Eigenschaften
für viele Bereiche der Grundlagen- und angewandten
Forschung von unschätzbarem Wert sind. Leider
sind sie als freie Teilchen extrem rar: Die Teilchendichte
ist selbst in intensiven Neutronenstrahlen geringer
als die Teilchendichte des Restgases in Hochvakuumapparaturen.
Daher sind fast alle Neutronenexperimente
intensitätslimitiert: Das grundsätzliche Potential
der Forschung mit Neutronen ist enorm und wird nur
durch die vorhandenen Neutronenfl üsse begrenzt. Mit
Forschungsreaktoren als Neutronenquellen lässt sich
hierbei kein weiterer Fortschritt erzielen. Mit dem
Hochfl ussreaktor des ILL ist bereits die praktisch realisierbare
Grenze der Leistungsdichte im Kern erreicht.
Bei den Quellen kann nur die nächste Generation von
gepulsten Multi-MW-Spallationsquellen Abhilfe schaffen,
bei denen der Spitzenfl uss im Puls einige Größenordnungen
über dem mittleren Fluss der Forschungsreaktoren
liegt. Wegen der Intensitätslimitierung der
Neutronenexperimente waren Neutronenforscher schon
immer extrem fi ndig und kreativ, was die Instrumentierung
und Methodenentwicklung betrifft. Beispiele
für Methodenentwicklung aus der Vergangenheit sind
kalte und heiße Quellen, Neutronenleiter, Superspiegel,
ortsauflösende Detektoren, dedizierte Instrumenttypen
wie Kleinwinkelanlagen, Rückstreu- oder Spinecho-
Spektrometer.
Durch derartige methodische Entwicklungen werden
entweder grundsätzlich neue Informationen zugänglich
(z. B. langsamere Dynamik durch höchste Energieauflösung
bei der Rückstreu- oder Spinecho-Spektroskopie),
oder es werden enorme Effi zienzsteigerungen
bestehender Instrumente erzielt (z. B. Erhöhung des
simultan erfassten Raumwinkels durch großfl ächige
ortsaufl ösende Detektoren). Einige der sich aktuell
abzeichnenden Entwicklungen, die Durchbrüche für
die Forschung erwarten lassen, werden im Folgenden
ausgeführt, bevor auf die Perspektiven durch neue
Neutronenquellen eingegangen wird. Wie schon in der
Vergangenheit sind Wissenschaftler aus Deutschland an
vorderster Front in dieser Methodenentwicklung tätig.
Detektoren
Die Leistungsfähigkeit von Neutronenstreugeräten
kann durch Erhöhung des Neutronenfl usses an der
Probe, z. B. durch Einsatz besserer Monochromatorsysteme,
und / oder durch bessere Detektorsysteme
erhöht werden. Insbesondere führt die Vergrößerung
der Detektorfl äche zu einer gewaltigen Effi zienzsteigerung.
Diese Strategie wird hauptsächlich beim Ausbau
bestehender oder in Planung befi ndlicher neuer Geräte
sowohl an Spallations- als auch an Reaktorquellen
verfolgt. So wurde etwa MAPS bei ISIS mit 16 m²
positionsempfi ndlichen Zählrohren ausgestattet. Ein
Beispiel für ähnliche Bemühungen an Geräten von
Reaktorquellen ist das IN5 am ILL mit ebenfalls 16 m²
Detektionsfl äche. IN5 ist nur ein Beispiel für besondere
Anstrengungen zur Effi zienzsteigerung, die das ILL im
Rahmen des Millenniumprogramms unternimmt. Dieses
Programm soll dazu führen, dass über alle Geräte
gemittelt eine Effi zienzsteigerung um einen Faktor 15
erreicht wird, der zu einem großen Teil aus einer Verbesserung
der Detektorsysteme resultiert.
DETNI
Für Radiographie- und Tomographieexperimente an
künftigen Spallationsneutronenquellen werden im Rahmen
der Integrated Infrastructure Initiative for Neutron
Scattering and Muon Spectroscopy (NMI3) der EU in
der Joint Research Activity DETNI drei verschiedene
Detektortypen und Ausleseelektronik für Zählraten von
bis zu 10 8 n/s pro Detektor mit höchster Ortsauflösung
(50 - 100 µm FWHM) entwickelt. Die Detektoren werden
in der Lage sein, über Flugzeitinformation große
Wellenlängenbereiche simultan zu erfassen und somit
Experimente noch effi zienter und aussagekräftiger zu
machen.
Image-Plate
Die Möglichkeit, Daten quasi online auszulesen, macht
positionsempfi ndliche Gaszähler zu den idealen Detektoren
für kinetische Untersuchungen. Dies wird ein
großer Vorteil gegenüber einer anderen Detektor-Entwicklungslinie
bleiben, die zur Bestimmung großer, insbesondere
biologischer, Strukturen an Reaktorquellen
immer wichtiger wird: die Image-Plate Systeme. Ein
frühes Beispiel für ein Gerät mit einem solchen Detektor
in Verbindung mit der Quasi-Laue Methode ist
das LADI des ILL, ein neueres Beispiel das VIVALDI,
ebenfalls ILL. Mit diesen neuen Geräten wird auch
die Proteinkristallographie mit Neutronen einen neuen
Aufschwung erleben.
78 Neue Instrumentierung 79

Gößere Detektorfläche
Mit großfl ächigen positionsempfi ndlichen Detektoren
für zeitaufgelöste Messungen steht ein kostengünstiger
Weg zur Verfügung, Neutronenstreuexperimente, insbesondere
an existierenden Quellen, um ein Vielfaches
effi zienter zu machen. Voraussetzung ist, dass entsprechende
Programme die Entwicklung der Detektoren
und den Ausbau der Experimente unterstützen. Das
Millenniumprogramm des ILL ist ein gutes und erfolgreiches
Beispiel hierfür.
Extreme Probenumgebung
Ein großer Vorzug der Neutronen besteht in ihrem
hohen Durchdringungsvermögen für viele, insbesondere
metallische, Konstruktionsmaterialien. So werden
Neutronenstrahlen des Wellenlängenbereichs, der
typischerweise für Streuexperimente verwendet wird,
beim Durchgang durch Aluminium von 1 mm Materialdicke
nur um ca. 1 % geschwächt. Diese Eigenschaft
der Neutronen erleichtert die Konstruktion komplexer
und extremer Probenumgebungen enorm und stellt
einen entscheidenden Vorteil der Neutronen gegenüber
anderen Strahlenarten, wie z. B. Röntgenstrahlung, dar.
Kryostaten für tiefste Temperaturen (im Extremfall bis
herab zu einigen 100 pK), Kryomagnete für höchste
Magnetfelder (bis zu 17 T stationär), Öfen für höchste
Temperaturen (bis zu 2500 °C) und Apparaturen für
höchste Drücke (bis zu 30 GPa) stehen nicht nur wenigen
Spezialisten, sondern einer breiten Nutzergemeinde
zur Verfügung.
Höchste Magnetfelder,
tiefste Temperaturen
Um magnetische Phänomene zu studieren, werden
Neutronenstreuexperimente in der Regel als Funktion
der Temperatur und eines äußeren Magnetfeldes
durchgeführt. Die höchsten Magnetfelder, die derzeit
im stationären Betrieb für Neutronenstreuexperimente
möglich sind, erreichen eine Stärke von 15 T für einen
Temperaturbereich von 50 mK - 300 K. Bei Verzicht
auf die tiefsten Temperaturen lässt sich das Magnetfeld
durch besondere Dysprosium-Polschuhe bis auf 17,5 T
erhöhen (Temperaturbereich 1,5 K - 300 K). Solche
mit supraleitenden Spulen gebauten Kryomagnete sind
seit einigen Jahren bei BENSC (HMI) im Routinebetrieb,
seit kurzem auch am ILL und am FRM-II.
Abb. 7.1 zeigt schematisch den Aufbau eines solchen
Kryomagneten. Zur Kombination mit tiefen Temperaturen
im mK-Bereich werden kompakt gebaute Einsätze
benutzt, die nach dem 3 He/ 4 He-Entmischerprinzip arbeiten.
Um zu noch höheren Magnetfeldern zu kommen,
plant das HMI gegenwärtig in Zusammenarbeit
mit dem FZK den Bau eines neuen 25 T-Kryomagneten,
der durch Verwendung von supraleitenden Spulen aus
Hoch-T c
-Materialien verwirklicht werden soll.
Höchste Temperaturen
Als Standardprobenumgebung für hohe Temperaturen
haben sich evakuierbare Öfen mit zylinderförmigen
Metallfolien als Heizelement und Hitzeschilden herausgebildet.
Mit solchen Öfen lassen sich Temperaturen bis
maximal 2000 °C erreichen.
Für noch höhere Temperaturen muss auf Spezialöfen
zurückgegriffen werden, die von einzelnen Gruppen
konstruiert wurden und nicht zum Standardrepertoire
eines Zentrums gehören. Solche Entwicklungen sind
z. B. Spiegelöfen, Öfen mit Elektronenstrahlheizung
oder Öfen, bei denen die Probe durch ein Levitationssystem
frei schwebend gehalten und induktiv oder
durch Laser aufgeheizt wird. Abb. 7.2 zeigt einen
Spiegelofen, der am Institut für Mineralogie der Universität
München konstruiert wurde. Derartige Öfen
erlauben Neutronenstreuexperimente bei Temperaturen
über 2000 °C. Ein Vorteil der Spiegel- und Levitationsöfen
ist, dass außer der Probe kein weiteres Material im
Strahl sein muss. Im Falle des Levitationsofens kommt
hinzu, dass die Probe absolut berührungsfrei im Strahl
gehalten wird. Das ist vor allem für die Untersuchung
von Schmelzen von großer Bedeutung. Es muss ein
Bestreben der Zentren sein, diese zurzeit noch sehr spezialisierte
Art von Hochtemperatureinrichtungen dem
allgemeinen Nutzerbetrieb zur Verfügung zu stellen
und weiterzuentwickeln.
Höchste Drücke
Standardprobenumgebung für Druckexperimente sind
an vielen Zentren Zylinderzellen mit Wolframcarbid-
Stempeln und Klemmringen zum Aufrechterhalten des
mechanisch erzeugten Drucks, mit denen Drücke bis zu
1,5 GPa erreicht werden können.
Für Neutronenstreuexperimente bei höchsten Drücken
wurde die „Paris-Edinburgh“-Zelle entwickelt. Es handelt
sich dabei um den klassischen Typ einer Druckzelle
mit einander gegenüberliegenden Druckstempeln. Der
normale Arbeitsbereich dieser Zelle liegt zwischen 2
und 20 GPa im Temperaturintervall von 100 bis 300 K.
Bei Verwendung von gesinterten Diamantstempeln statt
Wolframcarbid-Stempeln sind in diesem Temperaturbereich
sogar Drücke bis 30 GPa möglich. Die Probe
kann mit Hilfe eines Mikroofens bis 1200 K aufgeheizt
werden. Der maximal mögliche Druck bei dieser
Temperatur beträgt noch 7 GPa. Erkauft werden diese
hohen Drücke allerdings durch ein sehr kleines Probenvolumen.
Mit gesinterten Diamantstempeln beträgt die
Probengröße ca. 100 mm 3 bei 25 GPa.
Eine ähnliche Zelle für höchste Drücke wurde vom
Kurchatow Institut in Moskau entwickelt. Sie ist durch
Verwendung spezieller Konstruktionsmaterialien
(Kupfer-Beryllium Bronze) vor allem für magnetische
Untersuchungen geeignet. Mit dieser Zelle wurden die
bisher höchsten Drücke (43 GPa) bei Neutronenstreuexperimenten
erreicht.
Diese extreme Probenumgebung für höchste Drücke
steht nur sehr eingeschränkt dem allgemeinen Nutzerbetrieb
zur Verfügung. Sie muss weiterentwickelt und
standardisiert werden.
In-situ Experimente
Für in-situ Experimente existieren spezialisierte Probenumgebungen,
etwa Streckapparaturen, Scherzellen,
Bedampfungsanlagen, chemische Reaktionszellen,
Gasbeladungszellen etc. Diese Umgebung wird je nach
wissenschaftlicher Fragestellung ständig weiterentwickelt,
zum Teil in Kombination mit speziellen stroboskopischen
Messverfahren.
o/
20
o/
o/
20
550
20°
5°
2°
2°
with mit thickness Dicke
Al-Ringe Al-rings
1,5 mm
1,9 mm
2,0 mm
6 mm
8 mm
10 mm
Abb. 7.1. Schematische Darstellung des vertikalen
Hochfeld-Kryomagneten von BENSC. Die obere Hälfte
der Abbildung zeigt den Sitz der Probe im Zentrum des
Spulensystems zusammen mit den relevanten Abmessungen
und Öffnungswinkeln; die untere Hälfte der Abbildung
zeigt die Al-Ringe, die als Abstandshalter zwischen oberer
und unterer Spule des „Split-Pair“ Magneten dienen. Die
Gesamtdicke an Al, die der an der Probe gestreute Strahl
durchdringen muss, beträgt 30 mm.
Abb. 7.2.
Spiegelofen
(entwickelt
am Institut für
Mineralogie
der
Universität
München).
80 Extreme Probenumgebung 81

Polarisationsanalyse
Die Erforschung und Entwicklung von neuen Supraleitern,
molekularen Magneten, Spintronik-Materialien
oder magnetischen Nanostrukturen stellt eine der
großen Herausforderungen der modernen Festkörperforschung
dar. Um detaillierte Einblicke in die festkörperphysikalischen
Mechanismen zu erhalten, die diesen
Materialien zugrunde liegen, muss man Informationen
über die atomaren magnetischen Momente und
ihre Fluktuationen erhalten. Zur Bestimmung solcher
Vektorgrößen eignet sich die Streuung polarisierter
Neutronen in hervorragender Weise. Über die Neutronenpolarisation
kann man wichtige Richtungs- und
Phaseninformationen erhalten, die verloren gehen, wenn
in einem konventionellen Experiment nur die Intensität
der gestreuten Neutronen gemessen wird. Die Änderung
der Richtung des Neutronenspins bei der Streuung an
atomaren magnetischen Dipolen hängt empfi ndlich von
ihrer relativen Orientierung ab und kann mit so genannten
Neutronenpolarimetern hochpräzise gemessen
werden. Aber auch im Bereich der weichen Materie und
der Biologie spielt die Trennung von kohärenter und
inkohärenter Streuung mit Hilfe von Neutronenpolarisationsanalyse
eine zunehmend wichtige Rolle.
Polarisierte Neutronen sind
preisverdächtig!
In der Vergangenheit wurden Experimente zur Polarisationsanalyse
als schwierig, nur von Spezialisten
interpretierbar und “fl usshungrig“ angesehen. In jüngster
Zeit wurden entscheidende Fortschritte bei der Instrumentierung
für, aber auch bei der Interpretation von
Experimenten mit polarisierten Neutronen erzielt. Diese
zunehmende Bedeutung polarisierter Neutronen wird
allein schon durch die Verleihung des renommiertesten
F. Mezei (1999) J. Brown (2001)
Abb. 7.3. Die beiden ersten Preisträger des renommierten
Walter Hälg-Preises, F. Mezei und J. Brown, die den
Preis der Europäischen Neutronenstreugesellschaft für
ihre Arbeiten mit polarisierten Neutronen erhalten haben.
Preises in der Forschung mit Neutronen deutlich, des
Walter Hälg-Preises. Die zwei ersten Preisträger haben
den Preis der Europäischen Neutronenstreugesellschaft
für Forschungsergebnisse erhalten, die mit polarisierten
Neutronen erzielt wurden: Ferenc Mezei, HMI, im Jahre
1999 für die Erfi ndung der Neutronenspektroskopie
mit der höchsten Auflösung – der Spinecho-Spektroskopie
– und Jane Brown, ILL, im Jahre 2001 für ihre
Untersuchungen komplexer magnetischer Strukturen
und Spindichten mit Hilfe der Beugung polarisierter
Neutronen und der vektoriellen Polarisationsanalyse.
Neuartige Komponenten für die
Polarisationsanalyse
Die Entwicklung von neuen Methoden und Einrichtungen
für die Neutronenpolarisationsanalyse hat durch
weltweite Zusammenarbeit innerhalb des von der EU
geförderten Netzwerks „PNT“ – Techniken für Polarisierte
Neutronen – enormen Aufschwung gewonnen.
Als Beispiele für fortschrittliche Komponenten, die erst
in den letzten Jahren entwickelt wurden, seien genannt:
• Hocheffi ziente Neutronenpolarisationsfi lter, die auch
für kurzwellige Neutronen eine effi ziente Polarisation
des Strahls zulassen und die an jede Streugeometrie
angepasst werden können, um Polarisationsanalyse
über einen großen Raumwinkel zu ermöglichen
(s. Abb. 7.4).
• Das Nullfeldpolarimeter „CRYOPAD“, das volle Vektorpolarisationsanalyse
für Diffraktions- und Spektroskopieexperimente
zulässt (s. Abb. 7.5). Bei der
Vektorpolarisationsanalyse wird der Neutronenspin
vor der Streuung in einer beliebigen Raumrichtung
eingestellt und die Richtung des Spins nach der Streuung
bestimmt. Angeregt durch die am ILL entwickel-
Abb. 7.4. Station zur Polarisation von 3 He über das
„Spin Exchange Optical Pumping“ SEOP am FZJ.
Motoren
4K Pulsrohr-
Kryokühler
Stickstoffummantelung
Heliumbad
Ausgang Larmorr
Präzessionsspule
Eingang Larmor-
Präzessionsspule
Eulerwiege
-Metallabschirmung
Abb. 7.5. Aufbau des „CRYOPAD“ zur vektoriellen
Polarisationsanalyse.
te CRYOPAD-Technik ist inzwischen am FZJ eine
neue Methode mit präzedierenden Spins entstanden,
die es erstmals ermöglicht, vektorielle Polarisationsanalyse
für alle zugänglichen Energie- und Impulsüberträge
simultan durchzuführen. Damit ist auch der
Weg in die Zukunft aufgezeichnet: Einfachere universell
einsetzbare Polarimeter für die verschiedenen
Neutronenstreutechniken müssen entwickelt werden.
”Larmor-Markierung”
Obwohl die Neutronenstreuung eine inhärent fl usslimitierte
Technik ist, benutzen heutzutage die meisten
Neutronenstreuexperimente Monochromatoren und
Kollimatoren, um Neutronenstrahlen mit einer engen
Verteilung von Energie und Impuls einzustellen. Auf
diese Art und Weise lässt sich zwar eine ausreichende
experimentelle Aufl ösung erzielen, aber gleichzeitig
wird der größte Teil des Neutronenstrahls ausgeblendet
und ist für das Experiment verloren. Die Kunst
fast jeden Neutronenexperiments besteht daher darin,
die beste Balance zwischen Aufl ösung und Intensität
einzustellen. Kann es eine Alternative zu diesem
konventionellen Verfahren geben, bei dem man eine
gute instrumentelle Aufl ösung bei gleichzeitig hoher
Intensität erreicht Neutronenforscher arbeiten zurzeit
weltweit daran, Neutronenstreutechniken zu entwickeln,
bei denen die Energie- und Impulsauflösung entkoppelt
ist von der genauen Festlegung beider Größen.
Larmor-Präzession
Tatsächlich zeigt sich auch hier wieder, dass das Neutron
für den Forscher ein Geschenk der Natur ist. Es
trägt eine Eigenschaft in sich, die es dem geschickten
Experimentator erlaubt, die Flugzeit bzw. Flugbahn
eines jeden einzelnen Neutrons zu bestimmen. Dabei
handelt es sich um die „Larmor-Präzession“ des Neutronenspins
in einem äußeren Magnetfeld. Ähnlich wie
ein Kreisel im Schwerefeld der Erde präzediert auch
das Neutron im Magnetfeld mit einer genau bekannten
Frequenz. Jedes Neutron trägt sozusagen seine eigene
Uhr mit sich, wodurch ungewöhnliche Neutronenstreuexperimente
ermöglicht werden, bei denen die geforderte
Energie- und Impulsauflösung nicht verlangt, dass
die Strahlen vor und nach der Streuung möglichst genau
selektiert werden. Die älteste und am besten bekannte
Technik dieser Art ist die höchstauflösende Neutronen-
Spinecho-Methode. Ein neuartiges Instrument, das auf
dieser Methode beruht, wird in Abb. 7.6 gezeigt: Das
Weitwinkel-Spinecho-Spektrometer SPAN am HMI.
Inzwischen zeichnet sich ab, dass Larmor-Präzessionsmethoden
in geschickt ausgelegten Feldern auch genutzt
werden können, um Richtungsänderungen der Neutronen
beim Streuprozess genauer festzulegen. Im Rahmen
des „PNT“-Netzwerks wird an der Entwicklung solcher
Methoden gearbeitet. Vielleicht lassen sich in einigen
Jahren völlig neuartige Instrumente für Spektroskopie,
Beugung und Refl ektometrie realisieren, die auf Larmor-Präzessionsmethoden
basieren und die die geschilderte
reziproke Abhängigkeit von Aufl ösung und Intensität
zumindest teilweise zu durchbrechen gestatten.
Abb. 7.6. Neutronenspinecho-Spektrometer SPAN
am HMI.
82 Polarisationsanalyse
83

Phasenraum: Volumen und
Transformation
Unabhängig vom Typ der Neutronenquelle - Reaktor
oder Spallationsquelle - werden die für Streuexperimente
genutzten Neutronen aus Moderatoren freigesetzt.
Sie besitzen dann eine isotrope Geschwindigkeitsverteilung
entsprechend der Temperatur des Moderators.
Die Impuls- (Geschwindigkeits-) und Ortsverteilung
der Neutronen wird durch ein Volumen im Phasenraum
beschrieben. In jüngster Zeit gibt es vermehrte Anstrengungen,
dieses Phasenraumvolumen zu manipulieren:
Mit Hilfe von optischen Elementen wie Superspiegeln
oder spezialisierten Kristallmonochromatoren sowie
über ein multispektrales Extraktionsverfahren kann
man das nutzbare Phasenraumvolumen vergrößern.
Über Linsensysteme, fokussierende Spiegel oder
bewegte Kristalle lässt sich das Phasenraumvolumen
entsprechend den Anforderungen eines Experimentes
formen. Als Beispiele seien hier nur das multispektrale
Extraktionsverfahren und die Phasenraumtransformation
mit bewegten Kristallen kurz erläutert.
Multispektrales Extraktionssystem
Normalerweise nutzen Experimente Neutronenstrahlen
entweder von einem thermischen Moderator oder
einer kalten Quelle. Für Flugzeit-Diffraktometrie oder
–Spektroskopie ist oft ein breiterer Wellenlängenbereich
wünschenswert. Dies kann entweder durch eine untermoderierte
kalte Quelle (realisiert am FRM-II) oder
durch ein multispektrales Extraktionssystem (realisiert
HMI) erreicht werden. Bei letzterem werden Neutronen
über ein spezielles Neutronenspiegelsystem (Superspiegel)
sowohl von einer kalten als auch einer thermischen
Quelle in denselben Neutronenleiter eingekoppelt
(s. Abbildung 7.7). Die rasante Weiterentwicklung der
Superspiegel hat es erst ermöglicht, Strahlen mit einem
breiten Wellenlängenband und / oder einer großen Divergenz
effi zient über weite Entfernungen zu transportieren.
Eine Divergenztransformation für das Streuexperiment
kann dann durch fokussierende Spiegel oder
Linsensysteme erreicht werden.
Phasenraumtransformation mit
bewegten Kristallen
Für Streuexperimente ist in der Regel ein gerichteter
monochromatischer Strahl erwünscht, während die
Quelle Strahlen einer hohen Divergenz anbietet. Durch
Bragg-Streuung an einem sich bewegenden Monochromatorkristall
kann das Phasenraumvolumen gezielt
geformt werden. Es gibt verschiedene Möglichkeiten,
eine solche Phasenraumtransformation zu nutzen, um
die Intensität der Neutronen in dem vom Instrument
genutzten Energieband zu verbessern. Das FZJ hat hier
weltweit eine Vorreiterrolle gespielt.
Bei der Methode des parallelen Impulsübertrags wird
das Spektrum thermischer Neutronen in einer kalten
Quelle komprimiert, was zu einer erhöhten Phasenraumdichte
führt. In einem zweiten Schritt wird ein Teil
dieses niederenergetischen Spektrums durch Refl ektion
an einem schnell bewegten Kristall (z. B. auf dem
Umfang eines Rades bei hoher Drehzahl) auf thermische
Energien zurückgeführt. Auf diese Weise wird ein
thermischer Strahl mit engem Energieband und kleiner
Divergenz erzeugt.
Bei einer zweiten Methode wird durch Impulsübertrag
senkrecht zum reziproken Gittervektor eines
Mosaikkristalls ein kollimierter Strahl breiter Energieverteilung
in einen monoenergetischen Strahl breiter
Winkelverteilung transformiert. Praktisch ist diese
Methode nur für kalte Neutronen einsetzbar, wobei die
Geschwindigkeit des Deflektorkristalls in der Größenordnung
von 300 m/s liegt. Die Methode wird an zwei
modernen Rückstreuspektrometern eingesetzt und
liefert einen Intensitätsgewinn von etwa einem Faktor 4.
Im Moment wird die Phasenraumtransformation - nicht
zuletzt wegen der damit verbundenen hohen technischen
Schwierigkeiten - noch äußerst spärlich eingesetzt.
Die Herausforderung für die Zukunft besteht
darin, Abwandlungen der beschriebenen Methode der
Phasenraumtransformation konsequenter anzuwenden,
etwa bei kalten Flugzeitspektrometern, bei denen man
höhere Intensitäten ohne Zeitfokussierung erzielen
könnte.
Kalte Quelle
Thermischer Moderator
Neutronen-Superspiegel
Neutronenweiche
Neutronen-Superspiegel
Neutronenleiter
Beispiel für Flugweg thermischer Neutronen
Beispiel für Flugweg kalter Neutronen
Abb. 7.7. Multispektrales Extraktionssystem. Dieses System wurde am HMI zur Versorgung der zweiten
Neutronenleiterhalle mit thermischen und kalten Neutronen eingebaut.
Abb. 7.8. Deflektorrad des Jülicher Rückstreuspektrometers am FRM-II vor Montage der Deflektorkristalle. Der
Durchmesser (Abstand Kristallmitte zu Kristallmitte) beträgt 120 cm, die Umfangsgeschwindigkeit 300 m/s in der
Kristallmitte.
Phasenraum
84 85

MW-Spallationsquellen
Der Neutronenfl uss in Forschungsreaktoren ist durch
die maximal erreichbare Leistungsdichte begrenzt. Er
hat mit dem Hochfl ussreaktor des ILL seine technisch
praktikable Grenze erreicht (s. Abb. 7.9). Neben der
Kernspaltung können Neutronen auch durch den Spallationsprozess
freigesetzt werden (s. Abb. 7.10). Hierbei
wird ein hochenergetischer Protonenstrahl (Energien im
Bereich von 1 GeV) auf ein Schwermetalltarget geschossen.
Pro eingefangenem Proton dampfen aus dem
Kern bis zu 30 Neutronen ab. Spallationsquellen setzen
die für die Forschung so wertvollen Neutronen effi zient
und sicher frei. Bei einer gepulsten Spallationsquelle
mit Leistungen im Bereich mehrerer MW werden Spitzenfl
üsse erzielt, die um ein bis zwei Größenordnungen
über dem kontinuierlichen Fluss am ILL liegen. Viele
Instrumenttypen können die Pulsstruktur einer solchen
Quelle effi zient nutzen, so dass nun zum ersten Mal
seit ca. 50 Jahren die Möglichkeit besteht, die Quell-
Spaltung
Proton (p)
Neutron (n)
langsames
Neutron
Spallation
schnelle
Primärteilchen
p
~1 Giga-
Elektronenvolt
235
U
BLEI
Spaltung des
angeregten Kerns
intranukleare
Kaskade
hoch
angeregter Kern
Kaskadenteilchen
Thermischer Neutronenfluss (n/cm 2 s -1 )
Kettenreaktion
durch moderierte
Neutronen
internukleare
Kaskade
10 18
10 15
10 12
10 9
NRX
MTR
X-10
CP-2
CP-1
1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020
10 6 Jahr
Verdampfung
NRU
HFIR
HFBR
Tohoku
Linac
Reaktoren
ILL
ESS
SNS
ISIS
IPNS
LANSCE
SINQ-II
KENS
SINQ
Spallation
Abb. 7.9.
Zeitliche Entwicklung des thermischen Neutronenflusses
an existierenden und projektierten Quellen. Man sieht
deutlich das Sättigungsverhalten bei den Reaktorquellen,
während an Spallationsquellen höhere Spitzenflüsse
erzielt werden können.
Abb. 7.10.
Bei der Kernspaltung in
Reaktoren (oberes Teilbild)
bricht ein 235 U-Kern nach
Neutronenabsorption in
zwei etwa gleichschwere
Kerne auseinander. Dabei
werden im Mittel zwei bis
drei Neutronen freigesetzt.
Da Neutronen zur Aufrechterhaltung
der Kettenreaktion
benötigt werden, wird
bei diesem Prozess jeweils
nur etwa ein nutzbares
Neutron erzeugt.
Bei der Spallation (unteres
Teilbild) wird ein hochenergetisches
Proton in einem
schweren Kern absorbiert
und heizt diesen auf. Der
Kern relaxiert durch Abdampfen
von Teilchen. In
der internuklearen Kaskade
werden ca. 30 Neutronen
freigesetzt.
stärke einer Neutronenquelle signifi kant zu erhöhen.
Dies bringt nicht nur eine quantitative, sondern insbesondere
eine deutliche qualitative, Verbesserung: eine
signifi kante Erhöhung der Quellstärke erlaubt es, völlig
neuartige Experimente durchzuführen [6]. Diese Chance
wurde in den USA und in Japan erkannt, wo sich die
„Spallation Neutron Source“ SNS bzw. die „Japanese
Spallation Neutron Source“ JSNS im Bau befi nden. Die
Anlagen sollen in 2006 bzw. 2007 den Betrieb aufnehmen.
Unzweifelhaft werden sie dann wissenschaftliches
Neuland betreten, ähnlich wie dies das ILL und die
ESRF nach ihrer Inbetriebnahme geleistet haben.
Europäische Spallationsquelle
Gemäß der Empfehlung des OECD Ministerrats von
1999 sollte in den drei Erdteilen Nordamerika, Europa
und Japan (für den Asiatisch-Australischen Raum)
jeweils eine MW-Spallationsquelle realisiert werden.
In Europa, welches mit Abstand die größte Neutronennutzergemeinde
hat, wurde daher der Bau einer „European
Spallation Source ESS“ vorgeschlagen [6]. Im
vollen Ausbau sollte diese Quelle zwei Targetstationen
mit je 5 MW Leistung für je 24 Instrumente besitzen,
ein Kurzpulstarget mit 50 Hz Pulsfrequenz bei 1,4 µs
Pulsdauer und ein Langpulstarget mit 16 2/3 Hz bei 2 ms
Pulsdauer.
Spallation bringt mehr Leistung
Abbildung 7.11 zeigt eindrucksvoll die Leistungsfähigkeit
einer solchen Quelle im Vergleich zu den existierenden
Quellen ILL und ISIS und dem Ausbauprojekt
ISIS-II [2]. Die existierenden europäischen Spitzenquellen
fallen gegenüber dem SNS-Projekt deutlich
ab. Dieser Abstand wird sich noch vergrößern, wenn
der projektierte Ausbau der SNS auf 4 MW realisiert
wird. Wegen der langen Zeit von mindestens 8 Jahren
zwischen Projektstart und Inbetriebnahme einer Quelle
der nächsten Generation muss in Europa möglichst bald
eine Entscheidung zugunsten einer europäischen Spitzenquelle
fallen, wenn Europa nicht auf einem Wissenschaftsgebiet,
auf dem es momentan unangefochten die
Spitzenstellung hält, deutlich hinter USA und Japan
zurückfallen will. Mit der Realisierung einer Langpulsquelle
als erstem Schritt könnte die europäische Führung
auf einigen Gebieten der Wissenschaft ausgebaut
werden, insbesondere in den wichtigen Feldern „Weiche
Materie“ und „Biologie“. Wegen der Komplementarität
einer Langpulsquelle zu den im Bau befi ndlichen
Kurzpuls-Quellen SNS und JSNS steht zu erwarten,
dass Europa dann wieder wissenschaftliches Neuland
betreten kann, ähnlich wie dies, beginnend 2007, an der
SNS geschehen wird.
6
5
4
3
2
1
0
Mittlere Quellstärken
Relativ zur SNS
Prioritär
andere
Mittel
ISIS-II ISIS/ILL 1MW SNS LPTS ESS
Abb. 7.11.
Die über verschiedene Instrumenttypen gemittelte Quellstärke
für das Ausbauprojekt ISIS-II, die bestehenden
Quellen ILL und ISIS, eine 1 MW-Kurzpulsquelle, die
SNS (normiert auf 1), die Langpulsquelle des ESS-Projekts
und die voll ausgebaute ESS. Jeweils gezeigt ist
die Quellstärke für prioritär zu bauende Instrumente, alle
anderen Instrumente und den Mittelwert über alle Instrumente.
Bei der Darstellung des SNS Projekts wurde die
projektierte thermische Leistung der Quelle von 1,4 MW
und eine voll ausgebaute Instrumentensuite zu Grunde
gelegt. Es ist jedoch davon auszugehen, dass die volle
Quellstärke der SNS erst nach einer Übergangszeit von
mehreren Jahren erreicht werden kann. In dieser Übergangszeit
werden die europäischen Quellen ILL und
ISIS konkurrenzfähig bleiben.
86 MW-Spallationsquellen 87

SNS
In den Vereinigten Staaten wird zurzeit am Oak Ridge
National Laboratory eine 1,4 MW-Spallations-Neutronenquelle
errichtet (www.sns.gov). Träger des Projektes,
dessen Kosten sich auf 1,4 Milliarden US $ belaufen,
ist das Department of Energy (DOE). Im Juni 2006
wird die Anlage in einer ersten Ausbaustufe mit fünf
Instrumenten fertig gestellt sein und den Nutzerbetrieb
für die nationale und internationale Neutronenstreu-
Community als die dann weltweit leistungsfähigste
Spallationsquelle aufnehmen.
Kurzpulsquelle bei 60 Hz
Die SNS ist als 60 Hz Kurzpuls-Quelle (0,7 µs Pulslänge)
ausgelegt. Das Flüssig-Quecksilber-Target ist von
drei Moderatoren mit superkritischem Wasserstoff und
einem Moderator bei Raumtemperatur umgeben. Insgesamt
können 24 Instrumente an der Targetstation untergebracht
werden. Zurzeit sind 17 Instrumente geplant
und teilweise im Bau. Fünf dieser Instrumente gehören
zur Erstausstattung, die restlichen werden sukzessive
in den Jahren 2006 bis 2011 in Betrieb genommen.
Einen Überblick über die Anlage im Bau gibt Abb. 7.12.
In Abb. 7.13 sind die 17 bisher geplanten Instrumente
und ihre Anordnung an der Targetstation schematisch
dargestellt. Auch Deutschland beteiligt sich mit einem
Spinecho-Gerät.
Weiterer Ausbau geplant
Bereits jetzt bestehen Pläne für einen weiteren Ausbau
der Anlage. So wird der Bau einer zweiten Targetstation
mit Platz für bis zu 22 zusätzliche Instrumente speziell
für die Nutzung langwelliger Neutronen überlegt.
Außerdem soll in einer vom DOE bereits genehmigten
Designstudie die Möglichkeit einer Leistungserhöhung
von 1,4 auf 3 bis 4 MW untersucht werden. Wenn diese
Pläne verwirklicht werden, wird die SNS die stärkste
Neutronenquelle der Welt sein mit Leistungsdaten, die
nahe an jene Daten herankommen, die der ESS-Planung
zu Grunde lagen.
JSNS
Japan hat 2002 in Tokai mit dem Bau von J-PARC
(Japan Proton Accelerator Research Complex), einem
großen Beschleunigerkomplex, begonnen. Das Projekt
wird von KEK (National High-Energy Accelerator
Research Organisation) und JAERI (Japan Atomic Energy
Research Institute) gemeinsam durchgeführt. Ziel
von J-PARC ist es, durch Beschuss eines Targets mit
hochenergetischen Protonen Sekundärstrahlen von Teilchen
wie Neutronen, Myonen, Neutrinos, Kaonen und
Antiprotonen zu erzeugen und für die verschiedensten
Experimente zur Verfügung zu stellen. Ein Kernstück
der gesamten Anlage wird die JSNS sein, eine 1 MW-
Spallationsneutronenquelle, die der „Materials and Life
Science Experimental Facility“ von J-PARC als Großgerät
dient. Abb. 7.15 zeigt einen Überblick über den
gesamten Beschleunigerkomplex.
Backscattering
Spectrometer
BL 2
High-Pressure
Diffractometer
BL 3
Magnetism
Reflectometer
BL 4a
Liquids
Reflectometer
BL 4b
Cold Neutron Chopper
Spectrometer
BL 5
Small-Angle Neutron
Scattering Diffractometer
BL 6
Disordered Materials
Diffractometer
BL 1b
Engineering
Diffractometer
[VULCAN] BL 7
BL 1a
BL 9
BL 8b
BL 8a
Wide-Angle Chopper
Spectrometer
[ARCS] BL 18
Vibrational
Spectrometer
[VISION] BL 16b
BL 10
BL 16a
High-Resolution Chopper
Spectrometer
[SEQUOIA] BL 17
Neutron SpinEcho
BL 15
Macromolecular
Diffractometer
BL 11b
Powder
Diffractometer
[POWGEN] BL 11a
Hybrid
Spectrometer
[HYSPEC] BL 14b
BL 14a
Fundamental
Physics Beam Line
BL 13
Single-Crystal
Diffractometer
BL 12
Kurzpulsquelle bei 25 Hz
Die JSNS ist eine Kurzpulsquelle (0,8 µs Pulslänge) mit
Flüssig-Quecksilber-Target, die mit 25 Hz betrieben
wird. Diese im Vergleich zur SNS (60 Hz) geringere
Puls-Repetitionsrate bei entsprechend höherer Intensität
pro Puls bedeutet eine Optimierung von JSNS zugunsten
von Experimenten mit längerwelligen Neutronen
und hochaufl ösenden Instrumenten mit langen Flugwegen.
Drei Moderatoren mit superkritischem Wasserstoff
erlauben die Installation von maximal 23 Instrumenten.
Es wird erwartet, dass Neutronenstreuexperimente an
der JSNS ab Frühjahr 2009 möglich sind. Zu diesem
Zeitpunkt sollen dann 10 Instrumente betriebsbereit
sein. In Abb. 7.14 sind diese Instrumente der Erstausstattung
schematisch dargestellt.
ESS-I
Das ESS Council, in dem alle führenden Neutronenzentren
und einige Universitäten vertreten waren, hat
im Dezember 2003 seinen Abschlussbericht vorgelegt
[6]. In der Neutronen-Arbeitsgruppe des „European
Strategy Forums for Research Infrastructures“ ES-
FRI wurden die 4 verschiedenen Optionen für eine
Spallationsquelle der nächsten Generation bewertet [2]:
die voll ausgebaute ESS mit je einer 5 MW-Kurzpulsund
Langpuls-Targetstation, eine zeitlich gestaffelte
Realisierung beginnend mit einer 5 MW-Langpulsquelle,
eine neue 1 MW-Quelle oder eine Leistungserhöhung
von ISIS auf 1 MW. Nur die ersten beiden Alternativen
würden die führende Stellung Europas in der Forschung
Bio-Molecular Spectrometer
K. Shibata (JAERI)
Small Angle Scat. (High intensity)
J. Suzuki (JAERI)
Reflectometer (Horizontal)
N. Torikai (KEK)
Powder diffractometer
(High Resolution)
T. Kamiyama (KEK)
Chopper Inst. (High Resolution)
S. Itoh (KEK)
Stress Analysis
Diffractometer
A. Moriai (JAERI)
Bio-Molecular
X-tal Diff. (Versatile)
I. Tanaka (Ibaraki Univ.)
Low Energy Chopper Instrument
K. Nakajima (JAERI)
Total Scattering Inst. (Amorphous)
T. Otomo (KEK)
Powder diffractometer (Versatile)
Ishigaki (Muroran I.T.)
mit Neutronen langfristig gewährleisten. Inzwischen
hat ESFRI empfohlen, eine Prioritätenliste (Roadmap)
für den Ausbau der Forschungsinfrastruktur in Europa
zu erstellen. Es ist die Überzeugung des KFN, dass
eine Multi-MW-Spallationsquelle als die europäische
Neutronenquelle der nächsten Generation auf dieser
Prioritätenliste ganz oben stehen muss.
Initiative für die Europäische
Spallationsquelle ESS-I
Am 1. April 2005 wurde eine Initiative für die Europäische
Spallationsquelle ESS-I ins Leben gerufen.
Gründungsmitglieder sind: die Europäische Neutronenstreuvereinigung
ENSA als Nutzervertretung, die führenden
europäischen Neutronenzentren ILL, LLB (für
CEA und CNRS) und FZJ, und die Standortbewerber
aus Yorkshire, Skandinavien, Ungarn und Sachsen-Anhalt
/ Sachsen. Die Ziele der Initiative sind:
• als Ansprechpartner für die politischen Entscheidungsträger
zu fungieren;
• die wissenschaftliche Begründung auf Grundlage der
ESS-Studie fortzuschreiben;
• die technische Entwicklung in relevanten Bereichen
(Beschleuniger- und Targettechnologie) zu fördern;
• die Verbindung zu den amerikanischen und japanischen
Projekten SNS bzw. JSNS zu halten.
Wie in der KFN-Roadmap von 2003 empfohlen, wurde
das ESS-I Projektbüro an der europäischen Neutronenquelle,
dem ILL in Grenoble, eingerichtet. Weitere
Informationen fi nden sich auf dem Europäischen Neutronenportal
www.neutrons-eu.net.
Materials and Life Science
Experimental Facility
Hadron Beam Facility
500 m
Abb. 7.13. Die 17 bisher geplanten Instrumente an der SNS
und ihre Anordnung an der Targetstation. Mehr Informationen
unter www.sns.gov.
Abb. 7.14. Die 10 Instrumente der Erstausstattung
von J-PARC. Mehr Informationen
unter jkj.tokai.jaeri.go.jp.
Nuclear
Transmutation
Neutrino to
Kamiokande
Linac
(350m)
3 GeV Synchrotron
(25 Hz, 1MW)
50 GeV Synchrotron
(0.75 MW)
J-PARC = Japan Proton Accelerator Research Complex
Abb. 7.12. Die SNS im Bau.
Abb. 7.15. Überblick über den Beschleunigerkomplex J-PARC.
88 MW-Spallationsquellen 89

Anhang
Referenzen
Informationen zur Forschung mit Neutronen
im Internet:
KFN-Webseite: http://www.neutronenforschung.de
EU Neutron Portal: http://neutron.neutron-eu.net
[1] Sechstes Komitee Forschung mit Neutronen:
„Roadmap für den zeitlich gestaffelten Betrieb der
Neutronenquellen in Deutschland“ September 2003
http://www.neutronenforschung.de
[2] The European Strategy Forum for Research Infrastructure:
„Medium to longterm future scenarios for
neutron-based science in Europe“ (2003)
http://neutron.neutron-eu.net/FILES/esfri_report.pdf
[3] OECD Global Science Forum: „Report of the
Workshop on Large Facilities for Studying the Structure
and Dynamics of Matter“ (2001)
http://neutron.neutron-eu.net/FILES/2084157.pdf
[4] D. Richter & T. Springer: „A twenty years forward
look at neutron scattering facilities in the OECD
countries and Russia“ OECD technical report (1998)
http://neutron.neutron-eu.net/FILES/oecd_esf_1998.pdf
[5] „Scientifi c Prospects for Neutron Scattering with
Present and Future Sources“ ESF Framework Studies
into large Research Facilities (1996)
ISBN 2-903148-90-2
http://neutron.neutron-eu.net/FILES/autrans_report.pdf
[6] D. Richter (Ed.): „The ESS Project“ Vol. I-IV
(2003 and update 2004), ISBN 3-89336-299-1,
http:// neutron.neutron-eu.net/n_documentation/n_reports/n_ess_reports_and_more
[7] http://www.physik.uni-kiel.de/kfn/Nutzerumfrage
[8] A. Furrer / R. Cywinski: „Survey of the Neutron
Scattering Community and Facilities in Europe“
ESF report (1998), ISBN 2-912049-00-8
http://neutron.neutron-eu.net/FILES/ensa_survey.pdf
[9] Viertes Komitee Forschung mit Neutronen (1996-
1999): Forschung mit Neutronen in Deutschland - eine
Strategie für die nächsten 15 Jahre (1999)
Glossar
ANSTO
BER-II
bcc
BCS-Theorie
BNC
BMBF
CEA
CMR
CNRS
CP
CRYOPAD
DETNI
DESY
DFG
DNP
DOE
DOPG
EMBL
ENSA
EPR
ERC
ESF
ESFRI
ESRF
ESS-I
EU
FLNP
FRG-1
FRJ-2
FRM-II
FZJ
FZK
Australian national nuclear research
and development organisation (AU)
Forschungsreaktor Berlin
Body centred cubic
(kubisch raumzentriert)
Bardeen-, Cooper-, Schrieffer-Theorie
zur Supraleitung in Metallen
Forschungsreaktor Budapest (HU)
Bundesministerium für Bildung und
Forschung
Commissariat à l‘Energie Atomique (F)
Kolossaler Magnetowiderstand
Centre National de la
Recherche Scientifi que (F)
Charge parity
Nullfeldpolarimeter
Detectors for Neutron Instrumentation
Deutsches Elektronen Synchrotron
Deutsche Forschungsgemeinschaft
Dynamische Kernspinpolarisation
Department of Energy (USA)
Dioleoylphosphatidylglycerol
European Molecular Biology
Laboratory
European Neutron Scattering
Association
Paramagnetische Elektronenresonanz
European Research Council
European Science Foundation
European Strategy Forum on
Research Infrastructures
European Synchrotron
Radiation Facility (F)
Initiative Europäische
Spallationsquelle
Europäische Union
Frank Laboratory of Neutron Physics
(RU)
Forschungsreaktor Geesthacht
Forschungsreaktor Jülich
Forschungsneutronenquelle
Heinz Maier-Leibnitz, München
Forschungszentrum Jülich
Forschungszentrum Karlsruhe
GKSS
GMR
HFBR
HFIR
HFR
HGF
HMI
HTSC
IBR-II
ICANS
ILL
IPNS
IRI
ISIS
JAERI
J-PARC
JSNS
KEK
KENS
KFN
LANSCE
LLB
NAA
NIST
NMI3
NMR
OECD
Orphée
PNT
PSI
Forschungszentrum Geesthacht
Riesenmagnetowiderstandseffekt
High Flux Beam Reactor
High Flux Isotope Reactor Facility
Hochfl ussreaktor
Helmholtz-Gemeinschaft
Hahn-Meitner-Institut, Berlin
Hochtemperatursupraleiter
Forschungsreaktor Dubna (RU)
International Collaboration for
Advanced Neutron Sources
Institut Laue-Langevin, Grenoble (F)
Intense Pulsed Neutron Source (USA)
Interfacultair Reactor Instituut (NL)
Pulsed Neutron & Muon Source (UK)
Japan Atomic Energy Research
Institution (JP)
Japan Proton Accelerator
Research Complex (JP)
Japanese Spallation Neutron Source
(JP)
National High-Energy
Accelerator Research Organisation (JP)
Neutron Science Laboratory (JP)
Komitee Forschung mit Neutronen
Los Alamos Neutron Scattering
Science Center (USA)
Laboratoire Léon Brillouin (F)
Magnetischer Speicherchip
Megawatt-Spallationsquelle
Neutronenaktivierungsanalyse
National Institute of Standards
and Technology (USA)
Integrated Infrastructure Initiative for
Neutron Scattering and Muon
Spectroscopy
Nuclear magnetic resonance
Organisation for Economic
Co-operation and Development
Reaktor des LLB (F)
Polarized Neutron Techniques
Paul-Scherrer-Institut (Villigen, CH)
MRAM
MW-Spallationsquelle
PTJ
REFIT-
Programm
RISØ
RWTH
SINQ
SNS
T C
TOF
TU
TUM
UNESCO
VDI
VITESSE
VSANS
Projektträger Jülich
Programm zur Erdbebensicherheit (ILL)
Risø National Laboratory (DK)
Rheinisch-Westfälische Technische
Hochschule (Aachen)
Swiss Spallation Neutron Source (CH)
Spallation Neutron Source (USA)
Kritische Temperatur eines
Phasenübergangs
Time-of-Flight (Flugzeit)
Technische Universität
Technische Universität München
United Nations Educational, Scientifi c
and Cultural Organization
Verein Deutscher Ingenieure
Simulationssoftware
Hochaufl . Kleinwinkelstreuanlage
90 Referenzen / Glossar
91

Ergebnisse der Nutzerumfrage
Um eine aktualisierte Strategie für die Forschung mit
Neutronen in Deutschland zu erarbeiten, hat das KFN
im Frühjahr 2004 eine Nutzerumfrage durchgeführt [7].
Dabei wurde - anders als bei der ENSA-Umfrage von
1995 [8] - jeder Nutzer einzeln berücksichtigt. Für eine
korrekte Interpretation der Ergebnisse muss die genaue
Fragestellung bedacht werden [7].
Anzahl der Eintragungen: 377 - dies entspricht bei einer
aktuellen E-Mail Adressenliste mit ca. 900 Eintragungen
einem Rücklauf von über 40 %.
Verteilung auf die Fachgebiete
Es konnten mehrere Fächer ausgewählt werden. Etwa
die Hälfte der Teilnehmer hat nur ein Fach angegeben,
die meisten übrigen 2 oder 3 Fächer. Das Ergebnis zeigt
also an, welche Fachgebiete wichtig sind und ist nicht
direkt auf die Personen übertragbar. Gegenüber der
ENSA-Umfrage von 1995 sind keine extremen Verschiebungen
erkennbar.
0-25%: 146
75-100%: 104
25-50%: 64
50-75%: 63
Physik (kondens. Materie): 240
Materialwissenschaften: 128
Chemie: 84
Kristallographie: 64
Physik (andere Bereiche): 39
Ingenieurwissenschaften: 28
Geowissenschaften: 27
Biologie: 22
Andere: 12
Biophysik: 11
Archäologie: 9
Agrarwissenschaften: 2
Medizin / Pharmazie: 2
Zeitlicher Anteil von
Neutronenexperimenten am
Gesamtforschungsprogramm
Viele Nutzer verwenden Neutronen zusätzlich zu anderen
Methoden (s. nächste Frage), aber auch der Anteil
der hauptsächlichen Neutronenforscher ist groß.
Verteilung der Experimente an den
verschiedenen Zentren
Hier war nach der durchschnittlichen Anzahl der
Experimente im Jahr gefragt. Dabei konnten Experimente,
an denen mehrere Wissenschaftler gearbeitet
haben, mehrfach genannt werden, weshalb sich zum
Teil höhere Werte ergeben, als nach der Gesamtzahl
der Experimente pro Jahr zu erwarten ist. Unter der
Annahme, dass nicht einzelne Arbeitsgruppen extrem
überrepräsentiert sind, zeigen sich jedoch auch bei
dieser Fragestellung deutliche Tendenzen: neben dem
Hochfl ussreaktor am ILL sind hauptsächlich die nationalen
Quellen von deutschen Nutzern nachgefragt, was
die Bedeutung der Mittelfl ussquellen unterstreicht.
ILL: 554
FZ Jülich: 467
HMI: 302
GKSS: 150
LLB: 133
SINQ: 113
ISIS: 94
Dubna: 71
Außereurop.: 57
And. Europ: 33
Kjeller: 10
Studsvik: 3
BNC: 1
IRI: 0
Verteilung auf die Einrichtungstypen
Die häufi gste Kombination ist Beschäftigung an einer
Universität und einem Neutronenzentrum (10 % der
Teilnehmer).
Universität: 216
Neutronenzentrum: 136
Außeruniv. Einrichtung: 58
Industrie: 17
Ergänzende Nutzung von anderen
Methoden
Die meisten Teilnehmer gaben 2 Methoden an, die
häufigste Kombination ist Synchrotronstrahlung und
Röntgenstreuung im Labor.
Röntgenstreuung im Labor: 210
Synchrotron: 177
Andere: 112
Lichtstreuung: 64
Optische Spektroskopie: 50
NMR: 44
Rheologie: 10
Mössbauer-Spektroskopie: 6
Probenumgebungen
Der Bedarf an Probenumgebung wird im Wesentlichen
abgedeckt, der Anteil von Rückmeldungen für Probenumgebung
mit besonderen Anforderungen liegt bei ca.
5 % aller Meldungen.
Kryostat: 196
Ofen: 142
Magnet: 116
Eigene Probenumgebung: 91
Druckzelle: 64
Besondere Anforderungen: 35
Instrumente
Kleinwinkelstreuung und Pulverdiffraktion werden
häufi g von gelegentlichen Nutzern zusätzlich zu anderen
Methoden verwendet. Der große Anteil der polarisierten
Neutronen ist z. T. damit zu erklären, dass Polarisationsanalyse
als Zusatzoption bei anderen Methoden
verwendet wird. Am häufi gsten ist die Kombination mit
Dreiachsenspektroskopie und Refl ektometrie.
Kleinwinkelstreuung: 143
Pulverdiffraktion: 124
Polarisierte Neutronen: 100
Einkristall-Diffraktion: 89
Dreiachsenspektroskopie: 83
Refl ektometrie: 74
Flugzeit (kalt): 73
Diffuse Streuung: 51
Flugzeit (therm.): 48
Spinecho-Spektroskopie: 44
Rückstreuung: 44
Andere: 42
Instr. d. Teilchen- u. Kernphysik: 7
Faserdiffraktion: 7
Genug Messzeit
Die Erläuterungen der Nutzer zeigen, dass „genug
Messzeit“ i. A. auch als „nicht genug Personal“ zu verstehen
ist. Außerdem erwartet auch die Mehrzahl derer,
die „genug Messzeit“ angegeben haben, dass mehr
Messzeit bessere Ergebnisse ermöglichen würde.
Ja: 257
Nein: 108
Keine Angabe: 12
Zusätzliche Messzeit würde bedeuten...
Von denen, die zu wenig Messzeit haben, gaben hier
3/4 eine Erklärung ab, während nur 1/3 der Nutzer mit
genug Messzeit dies kommentierten. Am häufi gsten
wurde von beiden Gruppen eine bessere Qualität der
Ergebnisse genannt. Danach folgt eine Ausweitung der
Themengebiete, schneller zu Ergebnissen zu kommen
und unter weniger Zeitdruck zu arbeiten.
Bessere Qualität der Ergebnisse: 93
Ausweitung der Themengebiete: 32
Schneller zu Ergebnissen: 23
Weniger Zeitdruck: 2
Von den Nutzern mit (angeblich) genug Messzeit, die
sich dazu äußerten, gaben 62 % an, dass mehr Messzeit
bessere, andere oder schnellere Ergebnisse bringen
würde, dass sie mit mehr Messzeit im Verhältnis zu
anderen Methoden mehr mit Neutronen arbeiten würden
- oder dass das Problem eigentlich anderswo liegt
(25 %!), nämlich bei zu wenig Personal bzw. Zeit.
Bessere Qualität der Ergebnisse: 43
Zu wenig Personal: 12
Andere Themen: 9
Zu wenig Zeit: 5
Mehr Arbeit mit Neutronen: 5
Schneller zu Ergebnissen: 5
Bedarf an zusätzlicher Infrastruktur
Etwa 1/3 der Teilnehmer hat sich hierzu geäußert. Die
Kommentare sind meist sehr spezifi sch. Das KFN wird
sich bemühen, die Wünsche der Nutzer bei den Planungen
der Zentren einzubringen. Hier eine Übersicht über
die angesprochenen Themen:
Spezielle Neutronen-Instrumente bzw. Komponenten: 23
Probenumgebung: 21
Probenvorbereitung: 16
Andere: 8
Magnetfelder: 7
Personal: 6
Komplementäre Methoden am selben Zentrum: 5
EDV: 5
Höherer Neutronenfl uss: 5
Unterkunft: 3
Kalte Neutronen: 3
Zugang (schneller, ohne Antrag): 3
92 KFN-Nutzerumfrage
93

Fragestellungen
Der Begriff „Phasenübergänge“ repräsentiert vermutlich
nicht nur diejenigen, die die Mechanismen von
Phasenübergängen untersuchen, sondern auch andere
Nutzer, deren Materialien Phasenübergänge aufweisen.
Insgesamt wurden die eher allgemein gehaltenen
Fragestellungen natürlich häufi ger gewählt als speziellere.
Trotzdem zeigen die Ergebnisse Tendenzen, und
Kombinationen lassen weitere Schlüsse zu: Im Verhältnis
zur jeweiligen Gesamtzahl haben besonders viele
Kristallographen (64 %) und Geowissenschaftler (50 %)
„Phasenübergänge“ angegeben. Mehr als die Hälfte
der Nennungen von Supraleitung, Kernphysik, Metallurgie,
Phononen, Strukturbestimmung, ungeordnete
Systeme, Reaktionsmechanismen waren kombiniert
mit Phasenübergängen. Beim Magnetismus gilt dies für
Supraleitung und Phononen, bei Strukturbestimmung
für Reaktionsmechanismen.
Phasenübergänge: 133
Magnetismus: 129
Strukturbestimmung: 110
Polymere: 98
Beziehung v. Mikrostruktur zu Materialeigensch.: 93
Oberfl ächen und Grenzfl ächen: 90
Instrumentierung: 87
Ungeordnete Systeme: 87
Kolloide: 59
Biologische Systeme: 58
Phononen: 55
Funktionelle Materialien: 48
Molekulare Systeme: 47
Texturbestimmung: 38
Andere: 34
Supraleitung: 33
Eigenspannungsanalyse: 31
Metallurgie: 21
Modellierung: 18
Gesteinseigenschaften: 15
Reaktionsmechanismen: 12
Teilchenphysik: 8
Kernphysik: 3
Bio-Kristallographie: 3
Personenkreis
Diplomanden sind in der Umfrage vermutlich unterrepräsentiert,
da sie nur indirekt von der Nutzerumfrage
erfahren konnten (noch nicht im E-Mail-Verteiler des
KFN!). Betrachtet man die Altersverteilung im Verhältnis
zur Personengruppe, so zeigt sich, dass die meisten
Diplomanden unter 30 sind, Doktoranden zwischen 20
und 40, Postdocs zwischen 30 und 40 und erfahrene
Nutzer zwischen 30 und 80. Die meisten Diplomanden
und Doktoranden werden an Universitäten ausgebildet,
Postdocs sind an Universitäten und Neutronenzentren
gleich stark vertreten. Erfahrene Nutzer sind überall
vertreten, jedoch allein die Hälfte an Universitäten.
30-39: 153
40-49: 79
20-29: 53
50-59: 51
60-69: 36
> 69: 3
Erfahrene Nutzer: 217
Postdocs: 77
Doktoranden: 72
Diplomanden: 6
Alter
Die Altersverteilung spiegelt die Personengruppen
wider. Die Altersgruppe 30 bis 40 dominiert, sie besteht
sowohl aus Doktoranden als auch Postdocs und erfahrenen
Nutzern. Das Altersspektrum ist an den Universitäten
am größten und in der Industrie am kleinsten.
Frauen sind im Schnitt jünger als Männer, die an der
Umfrage teilgenommen haben. Es ergibt sich eine sehr
gesunde Altersverteilung: laut Umfrage sind 55 % der
Nutzer jünger als 40 Jahre. Dieser Wert berücksichtigt
noch nicht, dass Diplomanden sicher unterrepräsentiert
sind (s. o.).
Geschlecht
Die Männerdominanz ist angesichts der Fächerverteilung
(leider) nicht überraschend. An den Universitäten
und Neutronenzentren sind mehr Frauen vertreten als
an den außeruniversitären Einrichtungen und in der
Industrie, die meisten Frauen sind Doktorandinnen und
Postdocs.
Männer: 337
Frauen: 38
Keine Angabe: 2
Bildnachweis
Fotos und Grafi ken mit freundlicher Genehmigung von:
D. Alber, HMI (Abb. 3.11, 3.12)
A ustralian Nuclear Science and Energy Organisation,
ANSTO (S. 61)
J. Baumert, Univ. Kiel (Abb. 3.9 unten)
H. M. Berman et al.: The Protein Data Bank.
Nucleic Acids Research, 28 pp. 235-242 (2000)
(Abb. 2.14 A, B)
G. Bohrmann, IFM-Geomar (Abb. 3.9 rechts) / DFG-
Forschungszentrum Ozeanränder (Abb. 3.9 links)
H. -B. Burgi et al.: Angew.Chem., Int.Ed.Engl., 31,
p. 640, 1992 (Abb. 2.39 oben links)
J. Cambedouzou et al.: Low-frequency excitations of
C 60
chains inserted inside single-walled carbon nanotubes.
PRB 71, 041403 (2005) (Abb. 2.40)
creativ collection (S. 12, 46, 48, 49)
Designer Fond Collection (S. 48, 49)
DISA Vascular (Pty) Ltd, USA (Abb. 3.13)
D. Dubbers, Univ. Heidelberg (Abb. 2.44)
H. Endo, FZJ (Abb. 2.17)
E uropean Neutron Scattering Association (ENSA)
(Abb. 7.3)
R. Feyerherm, HMI (Abb. 2.36)
F orschungszentrum Jülich GmbH (S. 6/7 Mitte, 12, 13,
45 unten, 48 unten, 49 Reifen, 60/61 oben, 64, 65, 75,
Abb. 2.1 links, 2.43, 3.1, 3.2, 7.8, 7.10)
N. Froitzheim, Univ. Bonn (Abb. 2.26)
H. Fueß, Univ. Darmstadt (Abb. 2.41, 2.42)
G KSS-Forschungszentrum Geesthacht GmbH (S. 6
links unten, 60, 74)
G. Gompper, FZJ (Abb. 2.9)
H ahn-Meitner-Institut (HMI, Berlin) (S. 61, 72/73)
Th. Hauß, HMI (Abb. 3.10)
S. Hayden, Univ. Bristol, UK (Abb. 2.28 rechts)
H. Heumann, MPI Martinsried (Abb. 2.13, 2.14)
A. Hewat, ILL (S. 7 Mitte, S. 12: magn. Struktur,
Abb. 2.4, 2.28 links)
In stitut Laue-Langevin (ILL, F) / S. Claisse (S. 6 links
oben), P. Ginter (S. 60/61, 77)
A. Ioffe, FZJ (Abb. 7.4)
ISIS / CCLRC (UK) (S. 61)
Ja pan Atomic Energy Research Institute (JAERI, JP),
K. Kakurai (S. 60/61, Abb. 7.14, 7.15)
W. Kuhs, Univ. Göttingen (Abb. 2.31)
J. Kortus, TU Freiberg (Abb. 2.38 links)
M. Koza, Univ. Dortmund (Abb. 2.32)
E. Lelièvre-Berna, ILL (Abb. 7.5)
Th. Lonkai, HMI (Abb. 3.4)
S. Mattauch, FZJ (Abb. 2.7)
F. Mezei, HMI (Abb. 3.5)
I. Mirebeau, LLB, F (Abb. 2.38 Mitte und rechts)
MOUNTAIN HIGHmaps, Digital Wisdom (Abb. 6.1)
E. G. Noya, Universidade de Santiago de Compostela
(Abb. 2.39)
O ak Ridge National Laboratory (SNS, USA) (S. 60,
Abb. 7.12, 7.13)
C. Pappas, HMI (S. 6/7, Abb. 7.6)
F. Parak, TUM (S. 7 re., 12: Ladungsdichte, Abb. 2.12)
PhotoAlto Double page (S. 1 oben)
Paul Scherrer Institut (PSI, CH) (S. 12, Motor)
L. Pintschovius, FZ Karlsruhe (Abb. 2.28 Mitte)
T. Rekveldt, TU Delft, NL (S. 78 Hintergrund)
M. Rössle, EMBL Hamburg (Abb. 2.13, 2.14)
D. Richter, FZJ (Abb. 2.16, 3.6)
T. Schneider, FZ Karlsruhe (S. 78 Vordergrund)
B. Schröder-Smeibidl, HMI (Abb. 3.14, 3.15)
W. Schweika (S. 7 links oben)
P. Smeibidl, HMI (Abb. 2.1 rechts, 7.1)
M. Strobl, HMI (Abb. 3.7)
H. Stuhrmann, GKSS (Abb. 2.15)
Y. Su, FZJ (Abb. 2.29)
H. Tanaka, Research Center for Low Temperature
Physics, Tokyo, JP (Abb. 2.23)
Technische Universität München (S. 6, 60, 70, 76)
A. Tennant, HMI (Abb. 2.22)
W. Treimer, HMI (S. 12: laufender Motor)
J. Vollbrandt, GKSS (Abb. 2.2)
J. Walter, Univ. Bonn (Abb. 2.11)
A. Wiedenmann, HMI (Abb. 2.35)
A. Wischnewski, FZJ (Abb. 2.18)
J. Wosnitza, FZ Rossendorf (Abb. 2.20)
A. Zheludev, ORNL (Abb. 2.37)
Mit finanzieller Unterstützung
von:
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KFN-Nutzerumfrage / Bildnachweis
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